Tribological characteristics of dispersed-filled composite materials

Full Text

Широкое внедрение в машиностроение композиционных материалов требует проведения сравнительных испытаний различных пар трения. В Карагандинском Государственном техническом институте эти испытания проводили по разным схемам. Для машины трения МИ-1М типа «АМСЛЕР» и СМТ-1 выбрана схема нагружения - «диск - колодка». Диски, выполненные из стали 40Х, латуни Л63 (ГОСТ 17711-93), КМ, вращаются с частотой 500 мин-1 (линейная скорость - 1,31 м/с); колодки из КМ неподвижно закреплены с заданным усилием. Испытания проводили в условиях сухого трения, с ограниченной смазкой (капельным методом - 5 капель через 5 минут) и при полноценной смазке машинным маслом ТМ-3-18. Машина МТУ-01 - схема нагружения - «вращающаяся втулка по диску»; опробованы следующие варианты пар трения: КМ-сталь 45 с твердостью HRC ≥ 50; сталь 40Х - HRC ≥ 45, сталь Е 52100 - 60HRC. Для оценки фрикционной теплостойкости (ГОСТ23.210-80) испытания проводили на установке УМТ-1 по схеме осевого нагружения кольцевых образцов Æнар 28 х Æвн 20 х h 16 мм при постоянных нагрузках от 70 до 180Н и скоростях скольжения, изменяемых в пределах от 0,38 до 1,88 м/с (300 … 1500 мин-1) по 15 минут испытаний на каждом этапе. Втулки были изготовлены механической обработкой опытных отливок из КМ и - для сравнения - из отливок матричных сплавов, антифрикционного алюминиевого сплава АО20-1 и бронзы Бр05Ц5С5. Контртела изготавливали из стали 40Х (НRC³45). Все рассматриваемые КМ имеют коэффициенты трения (таблица 1), характерные для антифрикционных материалов (сплавов Бр05Ц5С5, АОМ20-1), но сохраняют их в значительно более широком диапазоне скоростей скольжения и нагрузок. Введение в состав дисперсно наполненных КМ системы «алюминиевые сплавы - керамические частицы» графита снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость материала на 16 … 25% в зависимости от состава материалов трибопары и условий трибонагружения. Рентгеновский анализ состава поверхностных слоев после испытаний трибопар КМ со сталью 40Х в режиме стабильного трения показал, что на поверхности трения всех образцов присутствует материал контртела (Fe), однако в разных концентрациях: от 1,64 до 5,11 ат.%. Различия отражают условия трибоконтакта. Таблица 1 Коэффициент трения КМ в паре со сталью Материал матрицы Армирующий наполнитель Условия трения 2,5 об. % SiC 5 об. % SiC Д16 0,04 0,06 Машина трения МИ-1М, 3 МПа, трение со смазкой, 500 мин-1 AK12M2MгH 0,55 0,75 Машина трения УМТ-01, 0,23МПа, сухое трение, 300 мин-1 Металлографические исследования образцов КМ после трибоиспытаний показали, что уже при малых скоростях относительного перемещения трущихся тел (0,2 м/с) и малых нагрузках (70 Н) на поверхности трения в направлении скольжения формируются борозды пластического деформирования как результат абразивного действия неровностей контртела. Сдвиги наиболее заметны на неармированных образцах и менее выражены на образцах КМ, где керамические частицы, выполняя роль несущих элементов, препятствуют сдвиговой деформации матрицы (глубина борозд более 10 мкм с шагом между гребнями 0,2¸0,5 мм). С другой стороны, те же твердые керамические частицы могут быть причиной переноса вещества контртела на поверхность КМ. При средних режимах нагружения на стадии установившегося изнашивания в полосах пластического деформирования образцов КМ появляются признаки структурной самоорганизации в виде ячеек размером 5-10 мкм, оконтуренных керамическими частицами размером ~ 1 мкм, что может быть результатом декогезии и разрушения частиц с последующим шаржированием их в матрицу. Формирование на поверхности трения такого рода фрактальных структур можно определить как устойчивое промежуточное состояние, обеспечивающее высокую износостойкость образцов КМ. Ведущий механизм изнашивания на стадии формирования таких структур - абразивный. Абразивное действие могут осуществлять продукты изнашивания - оксиды алюминия, обломки контртела, выкрошившиеся армирующие частицы. С увеличением параметров и длительности трибонагружения ширина полос, где формируются фрактальные структуры, и размеры их фрагментов уменьшаются. Одновременно от поверхности вглубь образцов расширяется зона пластических сдвигов и поворотов. Формирование этой зоны связано с действием сил трения и появлением на поверхности трения очагов схватывания. Ее ширина в образцах КМ зависит не только от механических свойств матриц при температурах разогрева при трении, но и от дистанции между армирующими частицами: чем больше эта дистанция, тем шире зона пластических сдвигов и поворотов. На заключительной стадии стабильного трения ширина этой зоны в КМ достигает 100…150 мкм, что позволяет говорить о выходе процесса изнашивания на макромасштабный, или объемный, уровень. Как известно, завершающей стадией разрушения поверхностей трения является микроконтактное схватывание и задир, поэтому работоспособность антифрикционного материала можно оценить по параметрам задира или фрикционной теплостойкости. Задиростойкость КМ существенно превосходит таковую образцов из матричных сплавов и антифрикционного сплава АОМ 20-1 (20% Sn, 1% Cu, остальное - Al). Наибольшую стойкость против схватывания обнаруживают КМ на базе матричных сплавов, имеющих наиболее высокие значения предела прочности и текучести, а также КМ с полиармированием наполнителями разной природы, в том числе КМ, где интерметаллидный наполнитель получен методом реакционного литья (in-situ). По результатам испытаний на задир одновременное введение в матрицу керамических частиц и частиц графита смещает точку перехода "нормальный режим - схватывание" в область более высоких значений осевой нагрузки и скоростей скольжения. Просмотр на растровом электронном микроскопе поверхности образцов (рисунок 1) после задира показывает, что армирование заметно отражается на микрорельефе очагов схватывания. Рисунок 1. Поверхность участков схватывания образцов: АК12 (а), АК12 + 5%SiC (б) и AK12 + 5%SiC + 5%C (в) В присутствии керамических частиц очаги схватывания более фрагментированы, чем на неармированных образцах, вероятно, вследствие возрастания частоты чередования процессов схватывания и разрыва адгезионных связей. Введение в КМ частиц графита повышает сопротивление схватыванию, в очагах схватывания увеличивается доля площади относительного проскальзывания трущихся тел. Показатели износа образцов КМ в период стабильного трения минимальны. Так, за 5 часов непрерывного трения (23580 м) при испытании на машине МИ-1М износ колодок из КМ с разными матрицами и 5% частиц SiC28 близок к нулевому значению. Результат объясняется тем, что на начальной стадии (первые 2 часа) наблюдается некоторое увеличение массы за счет налипания на колодку материала контртела (таблица 2). Таблица 2. Изменение массы колодок из КМ (г) за два часа и пять часов трения со смазкой при нагрузке 1 МПа на машине трения МИ-1М Материал mн m2 часа mн - m 2 часа m 5 часов mн - m5 часов АМг-1+5SiC28 4,3116 4,3128 -0,0012 4,3110 0,0006 Д16+5SiC28 4,6281 4,6298 -0,0017 4,6276 0,0005 AК12+5SiC28 4,3290 4,3308 -0,0018 4,3287 0,0003 Даже малая добавка частиц SiC значительно повышает износостойкость КМ по сравнению с матричными сплавами: при трении со смазкой интенсивность изнашивания образцов КМ на базе сплава Д16 примерно на порядок меньше, чем у матрицы; при трении без смазки при удельной нагрузке 0,7 МПа соответствующие интенсивности изнашивания различаются в 2,5 раза и на порядок меньше, чем таковая у бронзы (рисунок 2). Рисунок 2. Интенсивность изнашивания колодок в паре со сталью 40Х при трении на машине МИ-1М: а сухое трение, нагрузка 0,7 МПа, б трение со смазкой, нагрузка 4,0 МПа Низкая интенсивность изнашивания обнаружена также на образцах КМ с матрицей АК12, что может быть связано с наличием в сплаве АК12 кристаллов первичного и эвтектического кремния, выполняющих роль дополнительных армирующих элементов. Образцы КМ с матрицей АМг1 изнашивались более интенсивно, чем с матрицей АК12, однако после проведения термообработки по оптимальному режиму (закалка в горячую воду от 500…550°С, повторный нагрев 140°С, 40 мин) достигнуто некоторое повышение износостойкости. Испытания проводили на машине трения СМТ-1 с контртелом из стали 40Х (HRC ≥ 45) в условиях сухого трения при нагрузке 1,6 МПа. Здесь же приведены значения внутренних напряжений после трибоиспытаний, измерения на рентгеновской установке ДРОН-3, с усреднением для площади поверхности в 3 мм2, диапазон измерения в глубину от 0,1 до 100 мкм. Испытания на трение и износ изотропных КМ системы «алюминиевые сплавы - керамические частицы» показали высокую совместимость материалов в трибопарах КМ/сталь и их преимущества перед парой бронза-сталь не только по значениям износа и максимальной рабочей нагрузки, но и по стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также устойчивости последнего при возрастании нагрузки. Оптимальным решением для повышения износостойкости пар трения является полиармирование КМ. Так, введение в КМ состава АК12+5%Al2O3(40) и АК12+5%SiC(28) графита в количестве не более 5 об.% способствует снижению коэффициента трения, повышает износостойкость и долговечность узла трения. При этом улучшается обрабатываемость материала, следовательно, могут быть снижены затраты на оснастку и инструмент при изготовлении деталей узла. Графитовый наполнитель, являясь сухой смазкой, обеспечивает создание на поверхности контакта дополнительной защитной пленки, что позволяет использовать пару КМ по КМ в реальных узлах трения. Результаты испытаний КМ на трение и износ показывают, что целенаправленное регулирование триботехнических свойств КМ может быть достигнуто за счет выбора матричных сплавов с различным уровнем прочности и пластичности; введения в матрицу наполнителей различной природы, объемного содержания и размера; последующей термической или термомеханической обработки КМ. Ограничения по количеству армирующей фазы в КМ для условий трибоконтакта КМ/сталь определяет интенсивный износ контртела, соответствующий объемному содержанию частиц карбида кремния в 13-15%. Армирование матриц высокопрочными, высокомодульными частицами керамики способствует увеличению несущей способности, расширению интервала трибонагружения по допустимым скоростям скольжения, температурам в трибоконтакте; увеличению стойкости против схватывания. Все рассматриваемые КМ имеют коэффициенты трения, характерные для антифрикционных материалов (сплавов Бр05Ц5С5, АОМ20-1), но сохраняют их в значительно более широком диапазоне скоростей скольжения и нагрузок. Формирование на поверхности трения фрактальных структур определяет устойчивое промежуточное состояние, обеспечивающее высокую износостойкость образцов КМ. Ведущий механизм изнашивания на стадии формирования таких структур - абразивный. Абразивное действие могут осуществлять продукты изнашивания - оксиды алюминия, обломки контртела, выкрошившиеся армирующие частицы. Задиростойкость КМ существенно превосходит таковую образцов из матричных сплавов и антифрикционного сплава АОМ 20-1 (20% Sn, 1% Cu, остальное - Al). Наибольшую стойкость против схватывания обнаруживают КМ на базе матричных сплавов, имеющих наиболее высокие значения предела прочности и текучести, а также КМ с полиармированием наполнителями разной природы, в том числе КМ, где интерметаллидный наполнитель получен методом реакционного литья (in-situ). Натурные испытания на трение и износ изотропных КМ системы «алюминиевые сплавы - частицы керамики» показали высокую совместимость материалов в трибопарах КМ/сталь и их преимущества перед парой бронза-сталь не только по значениям износа и максимальной рабочей нагрузке, но и по стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также по устойчивости последнего при возрастании нагрузки. Показано, что увеличение размера и объемного содержания частиц в матрице снижает износ деталей из КМ, однако при этом увеличивается износ сопряженного контртела и коэффициент трения. Показана необходимость оптимизации объемного содержания частиц в КМ по условиям эксплуатации. Впервые экспериментально подтверждена возможность применения литых КМ системы алюминиевые сплавы - частицы керамики в узлах трения механизмов и машин в паре со сталью в условиях с ограниченной смазкой и в паре КМ-КМ при трении со смазкой.

About the authors

A. A. Pechnikov

Karaganda State Technical University, Karaganda, Republic of Kazakhstan

Email: a_pechnikov_90@mail.ru
87015207944

A. Toleshuli

Karaganda State Technical University, Karaganda, Republic of Kazakhstan

87015207944

E. G Meshcheryakov

Karaganda State Technical University, Karaganda, Republic of Kazakhstan

87015207944

References

Supplementary files