Физико-механические и трибологические свойства композиционных материалов на основе сплава системы SnSbCu, полученных методом экструзии

Аннотация

Physical, mechanical and tribological characteristics of composite materials based on SnSbCu alloy have been investigated. The paper presents the manufacturing technique by the extrusion method of the composite filler rods based on SnSbCu alloy, namely on babbit alloy B83. The manufactured filler rods were obtained with the uniform distribution of high-strength reinforcing particles of SiC. It was found that the hardness and the density of these filler rods are comparable with those of the cast babbit alloy B83 whereas their wear resistance exceeds that of this alloy.

Навески из смеси порошков засыпали в пресс-форму и подвергали холодному прессованию при усилии 320-340 МПа. Заполненную холодным компактом пресс-форму помещали в муфельную печь, нагревали до температуры 310 ± 10 °С и выдерживали в течение 30 мин, а затем при этой же температуре компакт из композиционной смеси экструдировали на механическом прессе OMA (P_max - 15 т) при усилии 320 ± 5 МПа. Использовали фильеру диаметром 6 мм. Принципиальная схема процесса экструзии представлена на рис. 1.

После экструзии из полученных длинномерных стержней (диаметром 6 мм и длиной 800 мм) готовили образцы для электронной микроскопии, физико-механических и трибологических испытаний. Для измерения упругих модулей применяли лазерный оптикоакустический метод (ЛОАМ), основанный на термооптическом механизме возбуждения широкополосных ультразвуковых импульсов продольных и сдвиговых акустических волн [1] и измерении фазовых скоростей этих волн в исследуемых образцах. Основное преимущество ЛОАМ перед традиционными ультразвуковыми методами заключается в возможности эффективного лазерного возбуждения мощных зондирующих акустических импульсов субмикросекундной длительности. Это позволяет осуществлять диагностику структуры и проводить измерения механических и акустических параметров для сильно поглощающих и рассеивающих ультразвук КМ [9]. Модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона для исследуемых образцов КМ рассчитывали по измеренным значениям плотности образцов и фазовых скоростей продольных и сдвиговых акустических волн в этих образцах с использованием известных соотношений между упругими постоянными и фазовыми скоростями акустических волн для изотропного твердого тела [4]. Принципиальная схема ЛОАМ для измерения фазовой скорости продольных акустических волн схематически показана на рис. 2.

Рис. 1. Принципиальная схема получения композиционных прутков методом экструзии

Рис. 2. Принципиальная схема лазерного оптико-акустического метода измерения фазовой скорости продольных акустических волн

Твердость образцов по Бриннелю (HB) определяли на твердомере Wilson Wolpert при нагрузке 62,5 кг, диаметр шарика 2,5 мм, плотность -- методом гидростатического взвешивания.

Для сравнения исследовали образцы баббита Б83 в состоянии поставки и образцы из порошка баббита без наполнителя после экструзии. Составы материалов, их твердость и плотность представлены в табл. 1.

Трибологические испытания образцов КМ проводили в условиях сухого трения скольжения на установке CETR UMT Multi-Specimen Test System по схеме палец (пруток КМ) -- диск (сталь 45) при осевых нагрузках 6, 10, 14, 18, 22 Н в тєчєниє 10 мин при каждой нагрузке на воздухе при температуре 20 ± 1 °С и влажности 60 ±4 %. Потерю массы образцов фиксировали после окончания всего цикла испытания взвешиванием на аналитических весах с точностью ±0, 5 х 10^-3 г. Интенсивность изнашивания I_m рассчитывали по формуле: I_m = Am/L, где Am - потеря массы образца; L - путь трения [7].

Результаты и обсуждение

Результаты измерения значений твердости экструдированных прутков свидетельствуют, что при введении высокопрочных керамических частиц карбида кремния твердость КМ имеет тенденцию к увеличению в среднем на 10 %. Плотность КМ, как при введении наполнителя, так и с увеличением его доли уменьшается, поскольку частицы карбида кремния имеют меньшие удельные массовые характеристики (3,2 г/см³ по отношению к матричному сплаву баббита Б83 - 7,39 г/см³).

Результаты анализа поверхности изломов прутков КМ на электронном микроскопе FEI QUANTA 200 3D представлены на рис. 3. Видно, что на поверхности излома литого баббита Б83 присутствуют крупные кристаллы интерметаллида SnSb (рис. 3а). После механической обработки в шаровой мельнице стружки из этого материала и последующей экструзии происходит в результате механического воздействия диспергирование интерметаллидов SnSb (рис. 3б). Образцы КМ, полученные методом экструзии, характеризуются равномерным распределением частиц SiC при сохранении тенденции уменьшения размеров интерметаллидов SnSb, по сравнению с образцом литого баббита Б83 (рис. 3в). Похожие поверхности изломов наблюдались и в образцах № 3 и 5.

а) б)

с

Рис. 3. Поверхности изломов: а -- образец № 1, б -- образец № 2, в -- образец № 4

Результаты оптико-акустических измерений скоростей ультразвуковых волн и упругих параметров образцов из порошка баббита без наполнителя после экструзии и образцов, армированных высокопрочными частицами БЮ, приведены в табл. 2.

Таблица 2 Результаты оптико-акустических измерений

Видно, что образцы из порошка баббита без наполнителя после экструзии и образцы, армированные высокопрочными частицами БЮ в количестве 3 масс. %, имеют соизмеримые значения упругих характеристик. Максимальные упругие характеристики имеют образцы состава Б83+5 масс. % БЮ. С увеличением доли армирования до 7 масс. % значения модулей Юнга, сдвига и коэффициента Пуассона значительно понижаются, что объясняется возросшей пористостью КМ из-за затруднений заполнения матричным материалом межчастичного пространства в скоплениях армирующих частиц.

Рис. 4. Интенсивность изнашивания (а) и коэффициент трения в зависимости от нагрузки (б) исследуемых образцов (номера согласно табл. 1)

Из рис. 4а видно, что уменьшение среднего размера интерметаллидов в сплаве Б83 за счет обработки в шаровой мельнице и последующей экструзии позволило снизить интенсивность изнашивания (обр. № 2). Дополнительное введение в состав экструдированных образцов из баббита частиц БЮ также приводит к увеличению износостойкости при содержании БЮ 3, 5, 7 масс. % соответственно на 23, 33 %, 45 % (обр. 3-5).

В свою очередь коэффициент трения при возрастании нагрузки литого образца (№ 1) выше, чем образца после экструдирования стружки (№ 2) и армированного 3 масс. % БЮ (обр. № 3). Это связано с измельчением интерметаллидов и упрочнением частицами БЮ этих образцов. Однако увеличение содержания карбида кремния до 7 масс. % приводит к увеличению коэффициента трения, что связано с большим количеством твердой составляющей Б1С (рис. 4б).

наплавочный пруток баббит износостойкость

Заключение

Получены прутки композиционного материала на основе баббита Б83, упрочненного частицами БЮ различного процентного содержания. Образцы характеризовались равномерностью распределения армирующего наполнителя. Наилучшие значения по трибологическим свойствам показали образцы состава Б83+3 масс. % БЮ (№ 3) и Б83+5 масс. % БЮ (№ 4), т. к. соотношение значений коэффициентов трения и интенсивности изнашивания в них наиболее оптимально во всем диапозоне трибонагружения. Прутки этих составов могут быть рекомендованы для использования в качестве присадочных для наплавки на поверхность деталей износостойких антифрикционных слоев.

Список литературы

1. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.

2. Калашников И.Е., Болотова Л.., Чернышова Т.А. Трибологические характеристики литых алюмоматричных композиционных материалов, модифицированных наноразмерными тугоплавкими порошками // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6, № 1-2. С. 135-143.

3. Калашников И.Е., Ковалевский В.В., Чернышова Т.А., Болотова Л. К. Композиционные материалы с наполнителями из шунгитовых пород // Металлы. 2010. № 6. С. 85-95.

4. Новацкий В. Теория упругости. М.: Мир, 1975. 872 с.

5. Подымова Н.Б., Карабутов А.А., Павлин С.В., Калашников И.Е., Болотова Л.К., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Кулибаба В.Ф. Измерение упругих модулей дисперсно-наполненных композиционных материалов лазерным оптикоакустическим методом // ФХОМ. 2011. № 2. С. 78-87.

6. Чернышова Т.А., Михеев Р.С., Калашников И.Е., Акимов И.В., Харламов Е.И. Разработка и апробация композиционных материалов систем Al-SiC, Al-TiC в узлах трения нефтедобывающего оборудования // ФХОМ. 2010. № 5. С. 78-86.

7. Чичинадзе А.В., Берлинер Э.М., Браун Э.Д. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.

8. Gongjun Cui, Qinling Bi, Muye Niu, Jun Yang, Weimin Liu. The tribological properties of bronze-SiC-graphite composites under sea water condition // Tribol. Int. 2013. Vol. 60. P. 25-35.

9. Karabutov A.A., Podymova N.B. Quantitative analysis of the influence of voids and delaminations on acoustic attenuation in CFRP composites by the laser- ultrasonic spectroscopy method // Compos. Part B Eng. 2014. Vol. 56. P. 238-244.

10. Moustafa S.F., Abdel-Hamid Z., Abd-Elhay A.M. Copper matrix SiC and Al2O3 particulate composites by powder metallurgy technique // Materials Letters. 2002. Vol. 53. Р. 244-249.

11. Ragab Kh.A., Abdel-Karim R., Farag S., El-Raghy S.M., Ahmed H.A. Influence of SiC, SiO2 and graphite on corrosive wear of bronze composites subjected to acid rain // Tribology International. 2010. Vol. 43. Р. 594-601.

12. Rajkumar K., Aravindan S. Tribological performance of microwave sintered copper-TiC-graphite hybrid composites // Tribology International. 2011. Vol. 44. Р. 347-58.

13. Valeeva A.Kh., Valeev I.Sh., Fazlyakhmetov R.F. Effect of structure of B83 babbit on its wear // J. Frict. Wear. 2014. Vol. 35. № 4. P. 311-315.

Размещено на Allbest.ru