В результате проделанной работы были рассмотрены алюминий и основные конструкционные алюминиевые сплавы, в результате выяснили, что широкое применение алюминия в промышленности, прежде всего, связано с его большими природными запасами, а также совокупностью химических, физических и механических характеристик.
Классификация алюминиевых сплавов может быть осуществлена по нескольким параметрам. Условно их можно разделить на литейные и деформируемые. Литейные сплавы предназначены для производства отливок, а деформируемые – для изготовления проката и поковок (например, алюминиевый тавр, профиль и т. д.). Рассмотрим подробнее деформируемые сплавы из алюминия. Их химический состав регламентируется ГОСТ 4784-97 и ГОСТ1131.
Легирование алюминиеывх сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.
Сплавы системы Al-Mg-Si-Cu наиболее перспективны для замены сплавов типа Д16 при изготовлении основных элементов конструкции авиа- и ракетной техники. В частности, преимуществами относительно нового отечественного сплава 1370 являются высокая коррозионная стойкость, технологическая пластичность при горячей и холодной деформации, значительные прочность и сопротивление многоцикловой усталости.
Осреднённая двумерная модель позволяет проводить математический эксперимент по наблюдению работы ванны в случае возникновения большинства основных неполадок. При варьировании различных параметров, таких как последовательность замены анодов, форма и расположение анодов, конфигурация настыли, величины подводимых токов, возможно достижение повышения выхода по току и устранения неполадок в работе ванны. Практическое значение разработанной модели заключается в возможности проведения исследований по оптимизации технологического процесса электролиза алюминия в различных условиях с целью повышения эффективности производства.
Математические модели реального физического процесса, даже упрощенные, могут оказаться весьма сложными для применения аналитических методов. В этом случае для отыскания решения задач используются численные методы. В них непрерывная среда заменяется дискретной, а исходные уравнения – системой алгебраических соотношений (например, разностной схемой). Для ее решения необходимы свои методы, которые ориентированы на применение вычислительной техники (например, ПЭВМ). Эти методы весьма разнообразны (прямые, итерационные). Возникает и проблема выбора наиболее рационального метода решения, экономичного по времени счета и объему памяти ЭВМ, и обеспечивающего сходимость и устойчивость.
В теории устойчивости является отыскание необходимых и достаточных условий устойчивости разностных схем весьма общего вида в терминах неравенств для операторов, входящих в разностное уравнение. Такой прием регуляризации оказывается особенно полезен для трехслойных схем, где он позволяет сохранить второй порядок аппроксимации по ?.
Оценка точности метода работает, если для разных аргументов достижение определенной точности их задания существенно различается, тогда можно ввести функцию стоимости затрат на задание точки с заданными абсолютными погрешностями и искать ее минимум.
Основной упрочняющей фазой сплава Д16 является фаза S сложного строения (Al2CuMg). При образовании фазы S происходит весьма малое изменение объема, а следовательно, не образуются большие перенапряжения на границе фаз, обусловливающие нестабильность структуры. Кроме того, как видно из диаграммы (рисунок справа), в сплавах системы А1—Сu—Mg, в которых образуются фазы S и СиА12, растворимость компонентов практически не изменяется в интервале температур 20—200° С. Сплав Д16 после старения при 200° С имеет сравнительно малую степень пересыщения твердого раствора. Таким образом, относительно малая степень пересыщения твердого раствора, низкая диффузионная подвижность атомов меди в алюминии, а также отсутствие резких перенапряжений в кристалле при образовании выделений обеспечивают достаточную стабильность структуры и высокое сопротивление микропластическим деформациям сплавов Д16Т1 и ВАД1Т1 в условиях эксплуатации.
В общем случае сплавы Al-Mg имеют самую лучшую коррозионную стойкость среди всех деформируемых алюминиевых сплавов. При содержании магния более 4 % на коррозионную стойкость изделий из этих сплавов большое влияние оказывает технология изготовления. После длительной выдержки при температуре выше 60 °С сплавы с большим содержанием магния становятся подверженными коррозии под напряжением и подповерхностной коррозии.
На основе анализа современных методов и средств математического моделирования разработан подход к моделированию и произведен выбор среды моделирования процесса прессования. В среде наукоемкого программного комплекса Ansys/Ls-Dyna была разработана численная двумерная модель технологической стадии прямого прессования предварительно нагретых цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава.
Для получения защитных покрытий алюминиевых сплавов в последнее время разрабатываются новые полимерные композиции, обладающие высокой устойчивостью к перепадам температур. Например, состав, включающий эпоксидную диановую смолу, полиамидный отвердитель, наполнители - мелкодисперсный квазикристаллический наполнитель системы Al-Cu-Fe дисперсностью менее 10 мкм, ультрадисперсный фторопластовый порошок и органический растворитель. Полученная композиция обладает высокой твердостью, высокими физико-механическими свойствами, адгезией к алюминиевым сплавам, влагостойкостью, устойчивостью к перепадам температур от -60°С до +100°С при толщине покрытия 70-100 мкм. Подобная композиция для получения защитных полимерных покрытий на основе эпоксидных смол, предназначенных для защиты деталей и элементов конструкций из алюминиевых сплавов от абразивного износа при истирании во время эксплуатации изделий предлагается также в следующем патенте. Состав защитного покрытия включает (мас.ч.): эпоксидную диановую смолу - 100,0, отвердитель аминного типа 10,0-50,0, модификатор-низкомолекулярный эпоксиуретановый, полисульфидный или бутадиенакрилонитрильный каучук в количестве 5,0-40,0 мас.ч., наполнитель - мелкодисперсный квазикристаллический металлический наполнитель системы Al-Cu-Fe, микроармирующий наполнитель волокнистой или пластинчатой формы, выбранный из группы, включающей природные или искусственные силикаты магния, алюминия или кальция, пылевидный кварц или их смесь в количестве 20,0-100,0 мас.ч. и органический растворитель 200,0-420,0. В качестве отвердителя аминного типа состав содержит полиамидную смолу или кремнийорганический амин или их смесь. Состав может дополнительно содержать матирующие добавки в количестве 15,0-35,0 мас.ч. и пигменты в количестве 5,0-40,0 мас.ч. Технический результат - повышение твердости, эластичности, влагостойкости, устойчивости покрытия к перепадам температур до 150°С при сохранении высокого уровня адгезии к алюминиевым сплавам и прочности при ударе.
Представляет интерес полимерный состав на основе фторсодержащих полимеров для получения атмосферостойких покрытий, применяемых для защиты конструкций из алюминиевых сплавов, полимерных композиционных материалов и др. Состав для защитного покрытия включает, мас.ч.: фторполимер 0,9-0,95, эпоксидную диановую смолу с мол. массой 900-1800 или фторэпоксидную смолу 0,05-0,01, отвердитель-полиизоцианатбиурет 0,07-0,19, -аминопропилтриэтоксисилан 0,01-0,04 и органический растворитель - смесь ксилола и этилцеллозольва с растворителем, выбранным из группы, включающей бутилацетат, этилгликольацетат, метоксипропилацетат или их смеси 0,5-1,0. Для дополнительного повышения стойкости к УФ состав может содержать светостабилизатор в количестве 0,1-0,3 мас.ч., а для повышения коррозионной стойкости в агрессивных средах, а также для придания декоративных свойств поверхностям изделий - пигменты в количестве 0,5-1,5 мас.ч. Полимерное покрытие обладает быстрой отверждаемостью, повышенной прочностью при ударе, пониженным водопоглощением, повышенной стойкостью к УФ, водостойкостью. Помимо новых разработок в области полимерных покрытий, также активно развивается направление композиционных покрытий на металлической основе. Например, интерес вызывает сообщение о составе и технологии нанесения износостойкого покрытия, которое может применяться совместно с микродуговым оксидированием. Износостойкое композиционное покрытие на поверхности алюминиевых сплавов, на основе оксида алюминия и высококремнистых фаз, содержит включения высококремнистой фазы, имеющей максимальные линейные размеры 0,1...10 толщин покрытия. Частицы располагаются таким образом, что промежутки между ними заполнены различными модификациями оксида алюминия, при этом включения высококремнистой фазы, выходящие на поверхность покрытия и (или) имеющие поверхность раздела с алюминиевой основой, закрыты с боковых сторон различными модификациями оксида алюминия. Способ получения покрытия может сопровождаться микродуговым оксидированием которое ведут на глубину, не превышающую 10 средних размеров частиц первичного кремния в обрабатываемом сплаве.
Для получения покрытий с повышенными антифрикционными свойствами предлагается новый состав на основе алюминиевого сплава [86]. Способ получения композиционного покрытия заключается в плазменном напылении порошкового композиционного материала, отличается тем, что в качестве напыляемого порошкового материала для получения покрытия с антифрикционными свойствами используют состав, мас.%: 3-5% карбид кремния (SiC), остальное алюминиевый сплав (Al+3% Mg). Предлагаются к использованию также многослойные покрытия на изделия из алюминиевых сплавов. Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к восстановлению изношенных поверхностей деталей, требующих высокой механической прочности и коррозионной стойкости. Способ включает ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле потоком предварительно нагретого воздуха и напыление на поверхность изделия порошкового материала, содержащего смесь корундового, алюминиевого и цинкового порошков, при этом обрабатываемую поверхность изделия подвергают пескоструйной обработке, после чего на нее наносят слой покрытия напылением порошкового материала, подвергают его механической обработке с получением требуемой толщины слоя, затем наносят дополнительный слой покрытия напылением смеси корундового и алюминиевого порошков, подвергают его механической обработке и осуществляют анодное или микродуговое оксидирование. Способ позволяет получить недорогое покрытие с повышенной механической прочностью и высокими коррозионными свойствами. Американскими учеными предлагается также способ нанесения многослойного гетерофазного металлического покрытия на изделия из алюминия или алюминиевых сплавов. Способ нанесения покрытия на поверхность компонента из алюминия или его сплава, включающий стадию холодного газодинамического напыления порошкового вещества на поверхность компонента с образованием покрытия, причем порошковое вещество содержит по меньшей мере один металл из группы, состоящей из титана, сплава титана, никеля, сплава никеля, железа, сплава железа, алюминия, сплава алюминия, кобальта, сплава кобальта, меди и сплава меди. Для повышения износосустойчивости порошковое вещество может дополнительно содержать 5-45 об.% твердых износоустойчивых частиц, которые выбирают из группы, состоящей из WC, TiC, CrC, Cr, NiCr, Cr2О3, Al2О3, YSZ, SiN, SiC, TiB2, гексагонального BN, кубического BN и их комбинаций. Для повышения антифрикционных свойств покрытие из порошкового вещества может также дополнительно содержать 5-45 об.% мягких частиц с низким коэфициентом трения, которые выбирают из свинца, серебра, оксида меди, кобальта, рения, бария, фторида магния и их сплавов и комбинаций. Затем проводят стадию холодного газодинамического напыления проводят вплоть до образования покрытия толщиной до 0,8 мм, а также дополнительно стадию тепловой обработки. Помимо разработки новых композиций для покрытия алюминиевых сплавов, разрабатываются также альтернативные способы нанесения покрытий, что также может существенно повысить эксплуатационные характеристики материалов. С целью упрочнения покрытий деталей из алюминиевых деформируемых сплавов разработан способ, включающий механическую обработку поверхности изношенного участка, обезжиривание бензином или ацетоном, дробеструйную обработку и последующее детонационное напыление покрытия, отличающийся тем, что с целью снижения температуры нагрева поверхности алюминиевых деформируемых сплавов во время нанесения упрочняющего покрытия и исключения возможности появления межкристаллитной коррозии напыление осуществляют сериями детонационных выстрелов, причем каждая серия включает 10-20 выстрелов, при этом время между сериями составляет 0,5-3,0 мин, кроме того непрерывно производят обдувку подложки сжатым воздухом давлением 2-4 атм. Для повышения качества напыляемых покрытий за счет увеличения прочности сцепления покрытия с основой предлагается способ нанесения покрытий, относящийся к способам газотермического нанесения покрытий на детали из металлических материалов, преимущественно из алюминиевых сплавов. Способ включает механическую подготовку поверхности, ее эпиламирование, нанесение покрытия. Новым в способе является то, что эпиламирование производят после механической подготовки поверхности, а перед нанесением покрытия деталь нагревают до 60 - 450oС. Использование предложенного технического решения при напылении газотермических покрытий обеспечивает увеличение прочности сцепления в сравнении с имеющимися способами, в частности для алюминиевых сплавов, в 1,5 - 3 раза. Это повышает качество покрытия и позволяет расширить область применения деталей с газотермическими покрытиями.
Учитывая рассмотренное выше, для изготовления элементов, работающих в условиях вакуума космоса при значительных перепадах температур, представляется обоснованным:
- использование современных сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками систем Al-Mg-Sc (сплавы 1577, В1341Т(Т1)), Al-Mg-Si-Cu (сплав 1370), Al-Li-Mg (сплавы 1420, 1424, В1461Т1, В1469Т1) для замены традиционных сплавов типа АМг4, АМг6, АВ, Д16, а также сплавов системы Al-Zn-Cu-Mg (В96Ц, В96Ц3п.ч., В95о.ч., 1933Т2(Т3), В1963) для изготовления деталей, требующих повышенной прочности.
- применение режимов коагуляционного ступенчатого старения Т2 и Т3, а также использование сплавов повышенной и особой чистоты, что в совокупности положительно влияет на пластичность и трещиностойкость.
В качестве упрочняющего покрытия возможно использование микродугового оксидирования, характеризующегося высокими показателями коррозионной, тепло- и износостойкости. В частности, по показателям износостойкости (микротвердость покрытия, его прочность и пластичность) МДО-покрытия приближаются к уровню твердых сплавов. Сравнительные испытания на абразивный износ МДО-покрытий, анодных покрытий толщиной порядка 100 мкм и покрытий, нанесенных методом твердого анодирования, показали лишь незначительное (3-5 мкм) уменьшение толщины МДО-покрытия, в то время как остальные были полностью удалены. Процесс микродугового оксидирования позволяет получать достаточно толстые покрытия, порядка 200-250 мкм (на сплаве Д16Т была достигнута толщина порядка 400 мкм). Причем температура электролита может изменяться в пределах 15-400°С, т.е. в отличие от традиционных методов анодирования, не требуется глубокое охлаждение электролита, отпадает необходимость в сложном холодильном оборудовании, отсутствует использование вредных компонентов электролита. Наиболее оптимальный комплекс защитных свойств наблюдается при толщине порядка 100-150 мкм (микротвердость поверхностного слоя достигает 2000-2500 кг/мм2). Помимо этого, исследования, проведенные в РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, показали возможность использования алюминиевых деталей, упрочненных МДО, для работы в тяжелых триботехнических условиях. Помимо кратного увеличения износостойкости и наработки на отказ, использование алюминиевых сплавов с МДО-покрытиями существенно облегчает трение (почти в 3 раза), что значительно улучшает динамические характеристики узлов.
100 страниц
90% уникальность
2014 год
141 просмотров
