Вплив легування металевої матриці на антифрикційні властивості евтектичних покриттів

У розглянутих евтектичних сплавах у литому стані фази втілення утворюють зміцнюючий каркас, що несе основне навантаження при навантаженні. Металева матриця (твердий розчин на основі заліза) виконує функцію передачі і перерозподілу напружень між окремими гілками несучого каркасу з фаз втілення. Оскільки взаємна розчинність фаз у цих сплавах обмежена, з'являється можливість окремого легування залізної матриці металами, що можуть додавати їй необхідні властивості. Наприклад, легування хромом підвищує корозійну стійкість твердого розчину на основі заліза, а легування нікелем призводить до стабілізації у-заліза, що зберігає високі пластичні і міцністні характеристики. На цьому принципі засноване легування широко розповсюджених нержавіючих сталей аустенітного класу типу 18-8 (18 відсотків хрому і 8 відсотків нікелю). Металева матриця розглянутих евтектик легована за тим же принципом, тобто має досить високу корозійну стійкість і високу пластичність, характерні для сталей типу 18-8. антифрикційний матеріал металева матриця

Завдяки вище перерахованим особливостям евтектичні сплави на основі заліза з тугоплавкими карбідами і боридами поєднують у собі властивості легованого твердого розчину на основі у-заліза і високі міцністні та триботехнічні властивості фаз втілення.

Це дуже важлива якість, оскільки, у даний час відома досить обмежена кількість евтектичних металевих систем (на основі свинцю), триботехнічними властивостями яких можна керувати шляхом легування металевої основи [3]. Недоліком таких систем є низька міцність, що не дозволяє використовувати їх у вузлах тертя з високими контактними навантаженнями. Оскільки досліджувані евтектичні покриття в якості основи містять тверді розчини на основі заліза, зміцнені тугоплавкими фазами втілення, контактні навантаження в цих покриттях можуть бути істотно вищі. Це дозволяє використовувати передбачувані евтектичні покриття для вирішення більш широкого кола задач триботехніки.

Мета роботи - дослідження впливу комплексного легування на триботехнічні властивості евтектичного сплаву ВТН. В якості матеріалу постачальника легуючих елементів при сплавленні з евтектичним сплавом вибрана бронза Бр.ОЦС5 -5-5, яка широко використовується в підшипниках тертя ковзання і має відносно низький коефіцієнт тертя, рівний 0,25. Згідно з літературними даними, такі елементи позитивно впливають на фізико - механічні властивості матеріалів. Відомо [4], що легування міддю знижує мікрокрихкість боридних покриттів. Встановлено, що підвищення пластичності покриттів в цьому випадку обумовлено, як наявністю міді в боридах, так і присутністю в шарі м'якої евтектичної фази, яка слугує зоною релаксації напружень [5]. В роботі [6] відзначається, що олово в мідних сплавах суттєво полегшує, при заданих умовах тертя, утворення вторинних структур, скорочуючи тим самим тривалість стану припрацювання, знижуючи коефіцієнт тертя системи і забезпечуючи перехід до стаціонарного режиму з постійним коефіцієнтом тертя.

Методика досліджень

Введення компонентів бронзи в евтектичні сплави на основі заліза з тугоплавкими фазами втілення приведе до зниження коефіцієнта тертя, оскільки, як показано в роботі [7], метали ІУ -А групи, уведені в сплави такого типу, знаходяться в твердому розчині. Дійсно, результати локального рентгеноспектрального аналізу показали, що введені в евтектичний сплав системи 12Х18Н9Т-ТіВ2-УС компоненти бронзи знаходяться в металевій матриці.

Для отримання таких сплавів змішувалися порошки евтектичного сплаву з порошком бронзи в різних співвідношеннях. Отримані суміші разом з порошком прожареної бури, у співвідношенні 1 частина бури до 4 частин суміші, засипалися у внутрішню порожнину втулки, яка з торців закривалась графітовими кришками.

Покриття наносили центробіжним способом на модернізованому токарному верстаті. Нагріту в електропечі до 1473-1573 К втулку встановлювали в центра (рис. 1) і обертали з певною кутовою швидкістю ю. Після зниження температури зовнішньої поверхні до 873-973 К, за якої закінчується процес кристалізації, втулку знімали з верстату і охолоджували на повітрі. Температура плавлення суміші становила ~ 1373-1473 К. В деяких випадках з метою зменшення температурних напружень, що викликають утворення внутрішніх тріщин, втулки повільно охолоджували в сухому піску або в печі.

Рис. 1. Схема нанесення евтектичного покриття на внутрішню поверхню циліндричних деталей: 1 - ущільнювальний фланець, 2 - втулка, 3 - порошкова суміш

В структурі отриманих сплавів спостерігаються евтектичні кристали дибориду титану і монокарбіду ванадію і незначна кількість первинних кристалів металевої фази (рис. 2, а). Співвідношення між цими фазами змінюється в залежності від вмісту бронзи. Зі збільшенням кількості бронзи сплав стає доевтектичним (рис. 2, б).

Рис. 2. Микроструктура легованого евтектичного сплаву: евтектичного складу (а), доевтектичного складу (б), х500

Отримані результати

Результати триботехнічних випробувань легованих сплавів наведені в таблиці 3.

Добавлення вже 10 % бронзи більш ніж у 2 рази знижує знос евтектичного сплаву, а мінімальний знос має сплав з 30 % бронзи. Це співвідношення є оптимальним, оскільки сумарний знос контртіла (сталь 45, Н ЯС42) і легованого сплаву припадає на сплав із 30 % бронзи.

Таким чином, легування евтектичних сплавів, створюючи позитивний градієнт механічних властивостей в покритті, знижує коефіцієнт тертя, локалізує процеси тертя в тонких поверхневих шарах вторинних структур. Локальним рентгеноспектральним аналізом поверхонь тертя встановлено, що вторинні структури містять поряд із залізом та легуючими елементами до 24 % кисню. Рентгеноструктурним аналізом поверхонь тертя зразків не виявлено утворення мартенситу деформації, що узгоджується з даними роботи [8] про те, що мідь суттєво знижує схильність аустеніту до зміцнення та стабілізує його по відношенню до мартенситоутворення.

Необхідно відзначити, що введення елементів бронзи в сплав евтектичного складу знижує в ньому об'ємний вміст зміцнюючої фази. Разом з тим, зносостійкість легованого сплаву підвищується. Так, при введені в сплав біля 30 % об. бронзи, вміст зміцнюючої фази (ТіВ2,УС) знижується з 21 % об. до 12 % об. Проте, ця кількість зміцнюючої фази знаходиться в межах критичного об'ємного вмісту армуючої фази Font, забезпечуючого ефективне зміцнення матриці композиту. Для міді Frit, при однаковій зміцнюючій фазі, приблизно в два рази менша, ніж для сталі типу 18/8.

Крім того, високу зносостійкість легованого сплаву можна пояснити і підвищенням напружень початку пластичної течії матриці з пониженням коефіцієнта тертя [9-10].

Звертає на себе увагу і той факт, що знос сплавів з великим вмістом бронзи значно перевищує величину зносу сталі 12Х18Н9Т. Літературні дані і отримані результати підтверджують, що мідь знижує схильність аустеніту до утворення мартенситу деформації. Можливо це одна з причин зменшення зносостійкості легованого сплаву, що пов'язана з пониженням енергоємності структури [11], обмеженням можливих механізмів дисипації енергії, зміною здатності до внутрішнього тертя.

Висновки

Проведені дослідження дозволили розробити зносостійкий антифрикційний евтектичний сплав на основі заліза для наплавки, додатково легований оловом і свинцем. Склад сплаву вибраний таким чином, що залізо, хром і нікель утворюють металеву матрицю, в якій рівномірно розподілені зміцнюючі кристали дибориду титану і монокарбіду ванадію. Олово і свинець, розчинившись в металевій матриці, підсилюють ефект міді щодо зниження коефіцієнта тертя, що призводить до суттєвого зростання зносостійкості в умовах тертя без мащення.

Розроблений сплав за своїми триботехнічними властивостями дещо поступається бабіту Б83 за кімнатних температур і перевищує при підвищених температурах (табл. 3).

Таблиця 3 Зносостійкість евтектичних сплавів при терті без мащення (Р = 1 МПа, V = 0,1 м/с)

1. Kindrachuk M.V. Formuvannia znosostiikykh evtektychnykh pokryttiv kontsentrovanymy dzherelamy enerhii / M.V. Kindrachuk, O.I. Dudka, V.S. Chernenko. - K.: ISDOU, 1997. - 121s.

2. Shuryn A.K. Deiaki zahalni zakonomirnosti potriinykh diahram stanu metaliv z borom

/ A.K. Shuryn, V.E. Panarin //Metalofizyka. - K.: Nauk. dumka, 1976. -№ 66. - S.85-92.

3. Kostornov A.H. Vplyv skladu poroshkovoho pidshypnykovoho splavu na osnovi midi na yoho sluzhbovi kharakterystyky / A.H. Kostornov, O.I. Fushych // Poroshkova metalurhiia.

- №3,4. 2005. - S.120-126.

4. Pokhmurskii V.I. Povishenie dolgovechnosti detalei mashin s pomoshchyu diffuzionnikh pokritii / V.I. Pokhmurskii, V.V. Dalisov, V.M. Golubets. - K.: Nauk. dumka, 1980. -188s.

5. Loskutov V.F. Uprochnenie detalei mashin boromedneniem / V.F. Loskutov, O.V. Semenchenko, Ye.M. Grinenko // Zashchitnie pokritiya na metallakh. - K. : Nauk. dumka, 1991.

- Vip. 25. - S. 80- 82.

6. Shurin A.K. Iznosostoikie naplavki evtekticheskimi splavami na osnove zheleza /A.K. Shurin, V.E. Panarin, M.V. Kindrachuk // Zashchitnie pokritiya na metallakh. - K.: Nauk. dumka, 1991. - Vip. 17. - S. 40-43.

7. Tikhonovich V.I. Issledovanie stroeniya i iznosostoikosti splavov na osnove stali Kh18N9T s diboridom titana / V.I. Tikhonovich, V.A. Loktionov, V.E. Panarin i dr. // Problemi treniya i iznashivaniya. - K: Tekhnika. - 1974. - №5. - S. 82-85.

8. Havryliuk V.P. Trybolohiia lytykh splaviv / V.P. Havryliuk, Ye.A. Markovskyi, V.I. Tykhonovych. - K.: 2007. - 428 s.

9. Kindrachuk M. V. Pidvyshchennia znosostiikosti plazmovykh evtektychnykh pokryttiv termotsykliuvanniam lazerom/ V. V. Kharchenko, O. V. Tisov, I.A. Humeniuk,

N.M. Stebeletska, A. O. Yurchuk, L. A. Hlovyn // Problemy tertia ta znoshuvannia. - 2020.- №4. S. 78 - 85.

10. Kindrachuk M.V. Analitychni zalezhnosti efektyvnoi mezhi tekuchosti kompozytsiinykh pokryttiv, navantazhenykh sylamy tertia / M.V. Kindrachuk, M.S. Yakhia,

O.V. Tisov // Problemy tertia ta znoshuvannia: nauk. - tekhn. zb. - K.: NAU, 2007. - Vyp. 47 - S.19-26.

11. Kindrachuk M. V. Zovnishnosylovyi vplyv na zakonomirnosti prypratsiuvannia antyfryktsiinykh system /V.V. Kharchenko I. A. Humeniuk, N.O. Naumenko, M. A. Hlovyn, I. V. Kostetskyi // Problemy tertia ta znoshuvannia. - 2021.- №4 (93). S. 70 - 76.

Размещено на Allbest.ru