CC BY
9
Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Вып. 5. 2021. Т. 11, № 2. С. 36-41. Transactions Ко1а Science Centre. Chemistry and Materials. Series 5. 2021. Vol. 11, No. 2. 36-41.
Научная статья УДК 621.893
D0l:10.37614/2307-5252.2021.2.5.008
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИЗНАШИВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АНТИФРИКЦИОННОГО СПЛАВА АОМ20-1 УПРОЧНЕННОГО ЧАСТИЦАМИ Ti
П. А. Быков1В, И. Е. Калашников1, Л. И. Кобелева1, А. Г. Колмаков1, Р. С. Михеев2
1 Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия 2Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия Автор, ответственный за переписку: Павел Андреевич Быков, pbykov@imet.ac.ru
Аннотация
Образцы композиционных материалов получали методом реакционного литья, путем замешивания частиц титана для получения интерметаллидных фаз AbTi. Испытания на сухое трение скольжения проводили по схеме торцевого нагружения неподвижной втулки (сталь 45) против вращающегося диска (образец) при скоростях скольжения от 0,25 до 0,75 м/с и нагрузках от 0,5 до 3,5 МПа.Построены карты интенсивности изнашивания, определяющие режимы трения в процессе испытания. Показаны границы и условия смены режимов трения. Ключевые слова:
композиционные материалы, сухое трение скольжения, карты трения, интенсивность изнашивания Финансирование
Работа выполнялась по государственному заданию № 075-00947-20-00.
Original article
INVESTIGATION OF WEAR CONDITIONS OF A COMPOSITE MATERIAL BASED ON AN ANTI-FRICTION ALLOY AO20-1 REINFORCED WITH Ti PARTICLES
P. A. Bykov1B, I. E. Kalashnikov1, L. I. Kobeleva1, A. G. Kolmakov1, R. S. Mikheev2
1Institution of Russian Academy of Sciences A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Material Science RAS, Moscow, Russia
2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia Corresponding author: Pavel A. Bykov, pbykov@imet.ac.ru
Abstract
Composite material samples were obtained by the method of reaction casting by mixing titanium particles to obtain intermetallic phases AbTi. Dry sliding wear tests were carried out using a fixed sleeve (steel 45) against a rotating disk (sample) at sliding speeds from 0.25 to 0.75 m/s and loads from 0.5 to 3.5 MPa.There were constructed maps of wear rate, which determine the friction modes during testing. There were shown boundaries and conditions of changing wear modes. Keywords:
composite materials, dry sliding, wear map, wear rate Funding
The work was carried out according to the state task No. 075-00947-20-00.
Мягкие трибологические сплавы на основе олова и свинца, широко используются в опорах подшипников скольжения, но детальные исследования зависимости изнашивания и микроструктуры в таких материалах редки [1]. Такие материалы отвечают противоречивым требованиям относительно рабочей поверхности подшипника, которая непосредственно подвергается износу. С одной стороны, поверхностный слой должен обладать твердостью для повышения износостойкости, с другой — должен быть мягким для снижения коэффициента трения.
В настоящее время не наблюдается значительного прогресса в вопросах производства таких материалов или улучшения их свойств, несмотря на появление новых теорий и инструментов исследований [1]. Эта ситуация обусловлена тем, что мягкие трибологические сплавы не испытывают значительного износа. Неверно говорить, что такие материалы не изнашиваются, но в правильно спроектированных узлах и стандартных условиях они сохраняют свои свойства в течение всего срока службы изделия.
В настоящее время несущая способность существующих сплавов считается пределом для проектирования новых узлов трения, с растущими требованиями экономичности, качества
© Быков П. А., Калашников И. Е., Кобелева Л. И., Колмаков А. Г., Михеев Р. С., 2021
и эффективности. Одно из перспективных направлений в разработке новых конструкционных материалов — создание гетерогенных структур, представляющих собой различным образом организованные композиции из армирующих наполнителей и связующих [2]. Однако при использовании композиционных материалов (КМ) в узлах трения скольжения целенаправленному выбору состава и технологии КМ должно предшествовать исследование закономерностей трибологического поведения материалов при различных видах нагружения, позволяющее осуществить прогнозирование работоспособности узлов трения [3]. Изнашивание КМ имеет ряд особенностей. В общем случае наличие в пластичных металлических матрицах твердых дисперсных частиц повышает износостойкость сплавов. Увеличение содержания и размера армирующих частиц в КМ ведет к уменьшению в общей поверхности трения площади участков матрицы, склонной к схватыванию. Высокопрочные частицы защищают матрицу от механического уноса материала, что ведет к снижению изнашивания КМ. Гетерогенность КМ способствует расширению области существования во фрикционном контакте так называемых вторичных структур, обеспечивающих протекание процессов трения и изнашивания в широком диапазоне параметров нагружения [4].
При трибологических испытаниях поведение процесса трения зависит от нагрузки, геометрии поверхности, скорости скольжения, шероховатости трущихся поверхностей, типа материала, жесткости системы, температуры, относительной влажности, вибрация и т. д. Среди этих факторов два основных играют значительную роль — это скорость скольжения и нормальная нагрузка [5].
Цель настоящей работы — изучить поведение образцов КМ на основе сплава АОМ20-1 против контртела из стали при различных условиях нагружения, определить условия изменения режимов трения, построить тибологические карты.
Исследования структуры в работе [6] показали, что метод механического замешивания дискретных реакционноактивных добавок титанового порошка позволяет его ввести, равномерно распределить и сформировать упрочняющие интерметаллидные фазы в объеме закристаллизовавшихся КМ. Взаимодействие титана с алюминием приводит к образованию интерметаллидных фаз. Наиболее термодинамически стабильной является фаза состава AbTi, служащая мощным инициатором зародышеобразования. Увеличение объема вводимого порошка титана обеспечивает увеличение количества образующихся интерметаллидов. Наряду с модифицирующим влиянием, фаза AbTi обладает повышенным уровнем твердости. Более дисперсная зеренная структура, а также образование интерметаллидов в материале обеспечило повышение твердости КМ на 20-25 % по сравнению с промышленным сплавом. Образец КМ, содержащий 3 мас. % Ti и имеющий максимальную твердость, кристаллизация которого проходила в медном тигле, имел наименьшую интенсивность изнашивания. Поэтому КМ с данным составом был выбран для испытаний с целью построения карт трения.
Порошок титана размером 300-400 мкм в количестве 3 мас. % вводили в расплав АОМ20-1, нагретый до 750 °С и перемешивали в течение 10 мин при скорости вращения импеллера 100 мин-1. Далее с поверхности композиционного расплава удаляли оксидную пленку и проводили разливку расплава при температуре 700-750 °С в медные формы диаметром 28 мм и высотой 130 мм.
Трибологические испытания образцов проводили в условиях сухого трения скольжения на установке CETR UMT Multi-Specimen Test System по схеме осевого нагружения: вращающаяся втулка (контртело) из стали 45Х (HRC > 63) против неподвижного диска (исследуемый образец).
Размеры стальной втулки: внутренний диаметр — 12 мм, наружный — 16 мм.
Размер диска образцов: диаметр — 20 мм, толщина — 12 мм.
Испытания каждого образца проводили при осевых нагрузках 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 МПа, скорость испытания составляла 0,25, 0,5, 0,75 м/с для каждого набора нагрузок. Путь трения при каждой осевой нагрузке составлял 450 м. Потерю массы Ом образцов фиксировали после каждой осевой нагрузки путем взвешивания образца на аналитических весах. Степень износа образцов при сухом трении скольжении оценивали по величине интенсивности изнашивания 1м = Вм / L, где L — путь трения. Так как схема нагружения не позволяла установить термопару на поверхность трения, измеряли температуру на контртеле, и такие изменения служили для описания процесса трения.
Интенсивность изнашивания рассчитывали для каждого набора параметров скорости и нагрузки. Рис. 1 иллюстрирует изменения интенсивности изнашивания образцов в зависимости от прилагаемой нагрузки. Видно, что общая тенденция к увеличению изнашивания образцов с ростом прилагаемой нагрузки прослеживается для всего ряда выбранных нагрузок. Отметим, что при скорости 0,25 м/с значения интенсивности изнашивания увеличиваются плавно, в то время как при скорости 0,5 м/с происходит резкое увеличение изнашивания при нагрузке 3 МПа, а для скорости 0,75 м/с резкая потеря массы образца происходит при нагрузке 2 МПа. Такие изменения могут свидетельствовать о смене режимов изнашивания с «мягкого» на «жесткий».
0,25 м/с 0,5 м/с 0,75 м/с
Рис. 1. Изменение интенсивности изнашивания в зависимости от нагрузки при различной скорости испытания
Влияние скорости испытаний на интенсивность изнашивания не имеет общей тенденции. Так, при минимальной скорости испытания 0,25 м/с наблюдается относительно небольшая потеря массы образца во всем диапазоне нагружения. В то же время для нагрузок до 2 МПа интенсивность изнашивания при скорости 0,75 м/с меньше, чем при скорости 0,5 м/с. Начиная с нагрузки 2 МПа потеря массы образца при скорости 0,75 м/с значительно возрастает.
Рис. 2 иллюстрирует поведение коэффициента трения в зависимости от нагрузки при разных скоростных режимах. Процесс трения при скорости 0,25 м/с можно описать следующими этапами: приработка при минимальной нагрузке, которой характерно абразивное изнашивание и повышенный коэффициент трения, сменяется окислительным изнашиванием с понижением коэффициента трения при увеличении нагрузок. Процесс трения после нагрузки 2 МПа может свидетельствовать о явлении формирования/разрушения «тела трения», при разрушении которого в зону трения попадают отслоившиеся частицы материала (процесс деламинации), что ведет к росту коэффициента трения. Дальнейшее увеличение нагрузки ведет к повышению температуры в зоне трения и размягчению материла, вследствие чего происходит понижение коэффициента трения.
0.35
^ ♦ 0,25 м/с
■ 0,5 м/с
0 А 0,75 м/с
0.5 1 1.5 2 2.5 3 Нагручка. МПа
Рис. 2. Изменение коэффициента трения в зависимости от нагрузки при различной скорости испытания
При скоростях 0,5 и 0,75 м/с процесс приработки и выглаживания поверхности проходит быстрее, чем при скорости 0,25 м/с, что иллюстрирует уменьшение коэффициента трения. Формирование «тела трения» при увеличении нагрузок снижает коэффициент трения. Как и в случае со скоростью 0,25 м/с, повышение температуры в зоне контакта с увеличением нагрузки размягчает материал, что продолжает снижать коэффициента трения.
Анализ температуры процесса трения дает дополнительную информацию для оценки режимов изнашивания, рис. 3 показывает характер изменения температуры в процессе трения при разных скоростных режимах в зависимости от нагрузки.
Как видно из рисунка, увеличение нагрузки ведет к повышению температуры. Увеличение скорости испытаний по-разному влияет на изменение температуры. Так, при скоростях 0,25 и 0,75 м/с
характер кривых совпадает при общем повышении температуры с увеличение скорости, но при скорости 0,5 м/с после нагрузки 1,5 МПа происходит резкое увеличение температуры.
♦ 0,25 м/с
0,5 м/с А 0,75 м/с
Рис. 3. Изменение температуры в зависимости от нагрузки при различной скорости испытания
С учетом равенства пути трения при всех скоростных режимах испытания данное явление можно объяснить временем контакта трущихся поверхностей. В общем случае повышение скорости испытания ведет к увеличению скорости нагрева. При скорости 0,25 м/с температура зоны контакта не достигала высоких значений из-за низкой скорости нагрева при всем наборе нагрузок. При скорости 0,5 м/с повышается скорость нагрева, после нагрузки 1,5 МПа произошло накопление тепловой энергии в зоне трения, что привело к резкому изменению температуры. При скорости 0,75 м/с скорость нагрева была выше, чем при испытаниях с другими скоростями, но за счет меньшего времени испытания тепловая энергия не успевала накапливаться для резкого изменения температуры.
Разработка карт трения является полезным инструментом изучения и прогнозирования поведения пар трения при различных скоростях скольжения и нагрузках. Карты трения, предложенные Лимом и Эшби [7, 8], очерчивают четкие границы режимов трения, основанные на скорости скольжения и нормальной нагрузке. Ими были собраны обширные экспериментальные данные для стали, что позволило генерировать такие карты. Новые разработанные КМ требуют подобных исследований для построения карт трения.
Визуализация данных о проведенных испытаниях в виде карт делает удобным сравнение процессов трения и выбор оптимальных параметров режимов трения.
На рис. 4 представлены карты режимов изнашивания. Для построения карт изнашивания на плоскость были нанесены точки с координатами скорость/нагрузка для всех проведенных испытаний. Для скорости 0,25 м/с было проведено дополнительное испытание при нагрузке 3,5 МПа, которое показало резкое увеличение интенсивности изнашивания (1м = 6,45 • 10-5 г/м, на рис. 4 не показано). Около каждой точки было указано соответствующее значение интенсивности изнашивания.
Было выделено четыре режима изнашивания: мягкий, умеренный, жесткий и критический износ. Для разграничивания режимов изнашивания сравнивали показатели интенсивности изнашивания и поведение температурных кривых каждого этапа нагружения (рис. 5).
Режим мягкого изнашивания характеризовался неизменностью температуры в процессе испытания, умеренное изнашивание — ростом значений температуры и выходом на плато. Жесткому режиму соответствовало нестабильное изменение температуры (пики, перегибы на графике), что может указывать на процессы образования/разрушения «тела трения». Для критического режима характерна тенденция к постоянному резкому росту температуры во время испытания. Предложены следующие границы режимов изнашивания:
1м < 2,655-10-5 г/м — мягкое изнашивание;
2,655• 10-5 г/м < 1м < 3,59-105 г/м — умеренное изнашивание;
3,59-10-5 г/м < 1м < 8,49-105 г/м — жесткое изнашивание;
1м > 8,49-105 г/м — критическое изнашивание.
Представленная информация позволяет выбрать точку, в которой процесс трения протекает с постоянной невысокой температурой и характеризуется небольшой интенсивностью изнашивания. Приемлемой областью работы можно считать режимы трения в области между мягким и умеренным изнашиванием.
Рис. 4. Карта режимов изнашивания. Размерность интенсивности изнашивания — х10-5 г/м
Рис. 5. Пример температурных кривых, скорость испытания — 0,5 м/с
Таким образом, практический интерес к подобным картам состоит в том, чтобы предоставить инженерам-проектировщикам информацию о поведении трибологической системы в заданных условиях трения скольжения.
Список источников
1. Schouwenaars R., Jacobo V. H., Ortiz A. Microstructural aspects of wear in soft tribological alloys // Wear. 2007. W. 263. P. 727-735.
2. Трибологические характеристики алюмоматричных композиционных материалов, упрочненных наноразмерными наполнителями / Т. А. Чернышова [и др.] // Трение и износ. 2005. Т. 26, № 4. P.446-450.
3. Development and testing of Al-SiC and Al-TiC composite materials for application in friction units of oil-production equipment / T. A. Chernyshova [et al.] // Inorganic Materials: Applied Research. 2011. Vоl. 2, No. 3. P. 282-289.
4. Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника, 1970. 396 с.
5. The Effect of Sliding Speed and Normal Load on Friction and Wear Property of Aluminum / M. A. Chowdhury [et al.] // Int. J. Mech. Mechatron Eng. IJMME-IJENS. 2011. W. 11, No. 01. P. 53-57.
6. Измерение упругих модулей дисперсно-наполненных композиционных материалов лазерным оптико-акустическим методом / Н. Б. Подымова [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2011. № 2. С. 78-87.
7. Lim S. C., Ashby M. F. Overview No. 55. Wear-Mechanismmaps // Acta Metallurgica. 1987. Vоl. 35. I. 1. Р.1-24.
8. Stack M. M. Mapping tribo-corrosion processes in dry and in aqueous conditions: some new directions for the new millennium // Tribology International. 2002. Vоl. 35, I, 10. Р. 681-689.
References
1. Schouwenaars R., Jacobo V. H., Ortiz A. Microstructural aspects of wear in soft tribological alloys. Wear, 2007, Vol. 263, pp. 727-735.
2. Chernyshova T. A., Kobeleva L. I., Bolotova L. K., Kalashnikov I. E. Tribologicheskie harakteristiki alyumomatrichnyh kompozicionnyh materialov, uprochnennyh nanorazmernymi napolnitelyami [Tribological characteristics of aluminum-matrix composite materials reinforced with nanoscale fillers]. Trenie i iznos [Friction and wear], 2005, Vol. 26, No. 4, pp. 446-450. (In Russ.).
3. Chernyshova T. A., Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Akimov I. V., Kharlamov E. I. Development and testing of Al-SiC and Al-TiC composite materials for application in friction units of oil-production equipment. Inorganic Materials: Applied Research, 2011, Vol. 2, No. 3, pp. 282-289.
4. Kosteckij B. I. Trenie, smazka i iznos v mashinah [Friction, lubrication and wear in machines]. Kiev, Tekhnika, 1970, 396 p.
5. Chowdhury M. A., Khalil M. K., Nuruzzaman D. M., Rahaman M. L. The Effect of Sliding Speed and Normal Load on Friction and Wear Property of Aluminum. Int J. Mech. Mechatron Eng IJMME-IJENS, 2011, Vol. 11, No. 01, рр. 53-57.
6. Podymova N. B., Karabutov A. A., Pavlin S. V., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Chernyshova T. A., Kobeleva L. I., Kulibaba V. F. Izmerenie uprugih modulej dispersno-napolnennyh kompozicionnyh materialov lazernym optiko-akusticheskim metodom [Measurement of elastic modules of dispersed-filled composite materials by laser optical-acoustic method]. Fizika i himiya obrabotki materialov [Physics and Chemistry of materials processing], 2011, No. 2, рр. 78-87. (In Russ.).
7. Lim S. C., Ashby M. F. Overview No. 55 Wear-Mechanismmaps. Acta Metallurgica, 1987, Vol. 35, I. 1, рр.1-24.
8. Stack M. M. Mapping tribo-corrosion processes in dry and in aqueous conditions: some new directions for the new millennium. Tribology International, 2002, Vol. 35, I. 10, рр. 681-689.
Сведения об авторах
Павел Андреевич Быков — научный сотрудник, pbykov@imet.ac.ru;
Игорь Евгеньевич Калашников — доктор технических наук, kalash2605@mail.ru;
Любовь Ивановна Кобелева — кандидат технических наук, likob@mail.ru;
Колмаков Алексей Георгиевич — член-корреспондент РАН, kolmakov@imet.ac.ru;
Роман Сергеевич Михеев — доктор технических наук, mikheev.roman@mail.ru.
Information about the authors
Pavel A. Bykov — Researcher, pbykov@imet.ac.ru;
Igor E. Kalashnikov — Dr. Sc. (Engineering), kalash2605@mail.ru;
Lyubov I. Kobeleva — PhD (Engineering), likob@mail.ru;
Alexey G. Kolmakov — Corresponding Member of RAS, kolmakov@imet.ac.ru;
Roman S. Mikheev — Dr. Sc. (Engineering), mikheev.roman@mail.ru.
Статья поступила в редакцию 25.01.2021; одобрена после рецензирования 01.04.2021; принята к публикации 05.04.2021.
The article was submitted 25.01.2021; approved after reviewing 01.04.2021; accepted for publication 05.04.2021.
