Технические науки / отраслевое машиностроение

Скачков В.О., Іванов В.І., Сергієнко С.С., Мосейко Ю.В.

ПРО оДЕРЖання ТРІБОТЕХНІЧНИХ

ВуглеЦЬ-алюмІнІЄвИх композитів

Запорізька державна інженерна академія

Вуглець-алюмінієві композити характеризуються високою теплопровідністю, низькою щільністю, високою міцністю та зносостійкістю, що обумовлює їх застосування як фрикційних елементів вузлів тертя високоенергетичних пристроїв.

Одержання зазначених матеріалів є можливим як під час використання методу рідкофазового поєднання алюмінієвої матриці та вуглецевого волокнистого наповнювача, так і методу гарячого пресування вуглецевих волокон разом із алюмінієвим порошком.

Під час рідкофазового поєднання розплаву алюмінію та вуглецевих волокон відбувається хімічна взаємодія, що за температури вище 873 К призводить до утворення карбіду алюмінію, який знижує механічні характеристики вуглецевих волокон, а також міцність адгезійних зв’язків на межі «волокно-матриця».

Для запобігання зазначеної взаємодії на вуглецеві волокна здійснюють нанесення високотемпературних захисних покриттів на основі міді, нікелю або хрому.

Застосуванням захисних покриттів, що прискорюють змочування волокнистого наповнювача розплавом матричного матеріалу, також сягають підвищення експлуатаційних характеристик даних композитів.

Експериментальні дослідження процесів електролітичного міднення, хромування та нікелювання проводили на вуглецевих волокнах УКН-6000, представлених у вигляді джгута, що складається з комплексу елементарних волокон.

Для здійснення процесу міднення вуглецевих волокон застосовували електроліт складу, г/л: 200 CuSO₄×5H₂O; 60 H₂SO₄ і 60 HCl, для процесу хромування вуглецевих волокон – електроліт складу, г/л: 400 CrO₃; 12 KF₂ H₂O та нікелювання зазначених волокон – електроліт складу, г/л: 70 NiSO₄; 45 MgSO₄ і 5 KCl. Процеси нанесення покриттів на вуглецеві волокна реалізували за температури 20…30 °С.

Встановлено, що найповніше вимогам щодо захисту вуглецевих волокон задовольняють нікелеві покриття, одержані за значенням катодного струму 0,25 А/дм², напруги електролізу 10 В та тривалості зазначеного процесу 120 с.

Для оцінки впливу захисних покриттів проведено дослідження розривного навантаження вуглецевих волокон з покриттям і без нього. Розривне навантаження вуглецевих волокон визначали на машині МР-30. Базова довжина волокон складала 130 мм, швидкість навантаження – 30 мм/хв.

Дослідження показали, що нікелеве покриття забезпечує збільшення середнього значення розривного навантаження волокон практично у два рази.

Для гарячого пресування вуглець-алюмінієвих композитів на основі алюмінієвого порошку ПА-0 та алюмінієвої пудри ПАП використовували вуглецеве волокно з нікелевим покриттям, яке характеризується найбільшою однорідністю та достатньою проникністю. Хімічний склад матричних матеріалів зазначених композитів подано у табл. 1.

Таблиця 1. Хімічний склад матричних матеріалів композиту, %

Найменування	Залізо	Кремній	Мідь	Марганець	Волога	Алюміній
ПА-0	0,50	0,40	0,02	-	0,20	98,98
ПАП	0,35	0,40	0,05	0,01	0,20	99,09

Пресування вуглець-алюмінієвих композитів реалізували у закритій прес-формі за класичною технологією порошкової металургії (температура - 723 К, питомий тиск - 60 МПа). Склад зазначених композитів та їх характеристика подано в табл. 2.

Щільність зразків вуглець-алюмінієвих композитів визначали методом гідростатичного зважування за стандартною технологією. Твердість (по Брюнелю) визначали на твердомірі типу ТШ-2М за величини навантаження 1840 Н. Тривалість прикладання навантаження – 30 с.

Таблиця 2. Залежність властивостей композиту від його складу

Склад вуглець-алюмінієвих композитів, %:			Властивості вуглець-алюмінієвих композитів:
вуглецеве волокно	ПА-0	ПАП	щільність, г/см^3	твердість, Н/мм^2	коефіцієнт тертя, kтер
10	45	45	2,18	570	0,82
15	42	43	2,10	500	0,71
30	40	30	2,07	310	0,49
40	40	20	2,06	240	0,39
60	28	12	1,46	270	0,15

На твердість пресування суттєво впливає вміст вуглецевих волокон. Із збільшенням вмісту зазначених волокон до 40…50 % твердість пресування знижується на 60 %. Під час подальшого збільшення їх вмісту (до 60 %) твердість пресування зростає на 16 % щодо її максимального значення.

Коефіцієнти тертя визначали на машині тертя СМТ-1 за системою «диск-колодка». Диск виконували з сірого чавуну діаметром 60 мм, зразок вуглець-алюмінієвого композиту – у вигляді колодки з розмірами 16 х 11 х 10 мм. Питомий тиск складав 15,7 МПа, швидкість відносного ковзання – 3,0 м/с, температура під час досліджень становила 100±10 °С.

Аналіз даних табл. 2 свідчить про те, що значення коефіцієнтів тертя вуглець-алюмінієвих композитів змінюються у широких межах. Залежно від вмісту вуглецевих волокон такі композити можна застосовувати як фрикційні, так і антифрикційні матеріали.