CC BY
110
УДК 620.186, 620.187, 621.893
Комплексное исследование поверхностных слоев и трибологических свойств антифрикционных сплавов системы Al-Si-Cu-Sn + Fe
О.О. Щербакова1, Т.И. Муравьева1, Д.Л. Загорский1,2, A.M. Мезрин1, Б.Я. Сачек1
1 Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва, 119526, Россия 2 Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 119991, Россия
В работе изучены новые антифрикционные алюминиевые сплавы. Исследовали влияние добавления железа на структуру и трибологические свойства образцов. Испытания проводили по схеме «колодка-ролик» с пошаговым изменением давления. При анализе трибологических свойств изучали режимы работы как в смазке, так и без нее. Испытания в смазке моделировали работу узла трения в нормальных условиях. Испытания без смазки моделировали экстремальный режим работы и применялись в качестве экспресс-методики для оценки износостойкости. Были изучены сплавы в литом состоянии и после термообработки, а также до и после трибологических испытаний. Установлено, что после термообработки кремниевая и мягкая фазы приобрели округлую форму, а содержание меди уменьшилось. Выявлена железосодержащая фаза, которая за счет добавления марганца приобретает благоприятную «скелетообразную» форму. После испытаний в смазке на поверхности колодки были обнаружены округлые твердые частицы. Эти частицы остаются на поверхности и обкатываются в смазке, создавая при этом своеобразный «защитный каркас», способствующий стабильной работе контактной пары. При испытаниях без смазки (приводящих к сильному повышению температуры в зоне трения) твердые частицы, напротив, усиливают разрушение поверхности, играя роль абразива и способствуя задиру. Исследование среза колодки, приготовленного после испытаний в смазке, позволило оценить толщину приповерхностного слоя (30-40 мкм) и показало перераспределение элементов в этом слое. Было выявлено, что олово выдавливается из объема и образует «дорожки» в приповерхностном слое, вытянутые вдоль направления трения. При испытаниях без смазки олово оплавляется и гомогенно перераспределяется в приповерхностном слое. Показано, что при испытаниях в смазке образовавшаяся пленка вторичных структур распределяется по поверхности тонким равномерным слоем, обладающим защитными свойствами. При испытаниях без смазки пленка неравномерна по толщине, что способствует развитию макрорельефа и может приводить к задиру. Показано, что сплавы, содержащие железо (до 1 %), имеют более высокие трибологические характеристики при режимах со смазкой и без нее.
Ключевые слова: антифрикционные сплавы, трибологические испытания, износостойкость, поверхность и приповерхностные слои, микроскопия
DOI 10.24411/1683-805X-2018-14011
A study of the surface layers and tribological properties of antifriction alloys of the system Al-Si-Cu-Sn + Fe
O.O. Shcherbakova1, T.I. Muravyeva1, D.L. Zagorskiy1,2, A.M. Mezrin1, and B.Ya. Sachek1
1 Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, 119526, Russia 2 Gubkin Russian State University of Oil and Gas, Moscow, 119991, Russia
In this paper, new antifriction aluminum alloys are studied. The effect of the addition of iron on the structure and tribological properties of samples is investigated in shoe-on-roller tests with a stepwise change of pressure. Tribological properties are analyzed to explore operating modes with lubrication and without it. Tests with lubrication simulate the work of a friction unit under normal conditions. Tests without lubrication simulate extreme operating conditions, and they are used also as an express method for assessing the wear resistance. The alloys are studied in the cast state and after heat treatment, as well as before and after tribological tests. It is found that after heat treatment the silicon and soft phases acquire a rounded shape, and the copper content decreases. An iron-containing phase is revealed which acquires a favorable skeletal form as a result of the addition of manganese. After testing, rounded solid particles are found in the lubricant on the shoe surface. These particles remain on the surface and are rolled smooth in the lubricant, producing a "protective skeleton" that provides a stable operation of the contact pair. In tests without lubrication (wherein temperature in the friction zone increases greatly), solid particles, on the contrary, act as an abrasive that causes surface wear and scoring. A shoe section prepared after testing with lubrication was examined to estimate the thickness of the near-surface layer (30-40 |xm) and to demonstrate the redistribution of elements in this layer. It has been found that tin is squeezed out of the bulk and forms tracks in the near-surface layer which are elongated along the friction direction. In tests without lubrication tin is melted and is homogeneously distributed in the near-surface layer. It is shown that a film of secondary structures is formed in tests with lubrication and is distributed over the surface in a thin uniform layer with protective properties. In tests without lubrication, the film is uneven in thickness, which promotes the development of a macrorelief and can lead to scoring. It is revealed that the alloys containing iron (up to 1%) show the best results in tribological tests, both with lubrication and without it.
Keywords: antifriction alloys, tribological tests, wear resistance, surface and near-surface layers, microscopy © Щербакова О.О., Муравьева Т.И., Загорский Д.Л., Мезрин А.М., Сачек Б.Я., 2018
1. Введение
Трение играет важнейшую роль в работе различных узлов и механизмов. Изучение процессов трения и изменения структуры поверхностей при трении представляет огромный интерес. Вопросу оценки эксплуатационных характеристик материалов в процессе трения и происходящим при этом изменениям трущихся поверхностей посвящено множество исследований [1-4]. Например, было показано, что деформация антифрикционных подшипниковых материалов приводит к изменению топографии поверхности и выделению так называемых мягких фаз, служащих своеобразной смазкой [5, 6]. Показано также, что разрушение — это многоэтапный процесс, звеньями которого являются перенос материала с одной трущейся поверхности на другую, изменение топографии поверхности, задир. Все эти процессы проявляются и протекают по-разному в разных условиях и для разных материалов [7, 8].
Выбор материалов для изготовления трущихся поверхностей очень важен при разработке машин и механизмов. При разработке подшипниковых узлов одной из тенденций является переход от дорогостоящих бронз к алюминиевым сплавам [9, 10]. В свою очередь, для этих сплавов актуальной задачей является улучшение и/или модификация их свойств, достигаемая за счет совершенствования их состава и подбора оптимальных режимов термообработки [11, 12].
В настоящей работе рассматривается перспективная идея применения алюминиевых сплавов с добавками железа. Интерес к таким материалам обусловлен потенциальной возможностью изготовления сплавов из более дешевых материалов (лома) и отходов собственного производства, что снизило бы стоимость получаемой продукции. Однако неизбежным следствием этого будет появление железа в составе конечного продукта. Известно, что железо часто является вредной примесью, приводящей к ухудшению пластичных свойств материала. Для нейтрализации этого влияния в алюминиевые сплавы добавляют марганец [13].
Ранее [14] авторами было показано, что добавление железа не приводит к заметному ухудшению трибо-логических свойств сплавов. В [14] испытания проводились по экспресс-методике, предусматривающей режим работы без смазки. Однако представляет интерес
и моделирование реальных условий эксплуатации, которая обычно происходит в смазке.
Задачей настоящего исследования было изучение образцов железосодержащих экспериментальных алюминиевых сплавов: их трибологических свойств, структуры и элементного состава поверхностных слоев, а также их изменение при трибологических испытаниях в двух режимах работы — в смазке и без нее.
Конечной целью работы была оценка возможности использования железосодержащих алюминиевых сплавов в качестве антифрикционных материалов.
2. Материалы и методы исследования
2.1. Материалы
В настоящей работе исследовали алюминиевый сплав Al-5%Si-4%Cu-6%Sn с добавками железа (около 1%) и других элементов. Для нейтрализации вредного влияния железа в сплав в малых количествах добавляли марганец (0.5 %). Для сравнения трибологи-ческих свойств были взяты сплавы аналогичного состава, но без добавок железа. Эти сплавы были выбраны в ходе склерометрических испытаний [15], которые показали, что данные сплавы обладают хорошей несущей способностью при невысоком сопротивлении сдвигу. Химический состав всех исследуемых сплавов представлен в табл. 1.
После изготовления литые сплавы были подвергнуты термообработке — отжигу при температуре 500 °С с последующей закалкой в воду и старением. Данный режим термообработки был выбран на основании ранее полученных результатов [14].
2.2. Приготовление образцов
В работе исследовалась поверхность сплава до и после испытаний. Для изучения исходной поверхности были приготовлены шлифы с использованием комплекса TegraPol-25 и TegraForce-5 ^гаеге). Для исследования приповерхностного слоя после испытаний на программируемом отрезном станке АссШот-5 ^йиеге) был изготовлен косой срез образца сплава (под углом 45°), который также подвергался шлифовке и полировке. Вышеперечисленные работы проводили по стандартным методикам.
Таблица 1
Химический состав исследуемых сплавов
Маркировка Концентрация, мас. %
А! Si Си Sn РЬ Bi Ре Мп Примеси
№ 1 82.80 5.1 4.3 5.6 0.4 0.4 0.7 0.5 <0.2
№ 2 84.30 4.9 4.2 5.5 1.0 <0.01 - - <0.1
№ 3 91.10 4.8 3.9 - - - - - <0.2
№ 4 89.30 4.6 4.1 <0.01 0.7 1.2 - - <0.1
2.3. Трибоиспытания
Трибологические испытания проводились на трибо-метре Т-05 по схеме «частичный вкладыш-вал» (колодка-ролик): материал вала (контробразца) — сталь 45, частичный вкладыш (колодка) — из исследуемых экспериментальных сплавов. Данная контактная пара исследовалась по ранее отработанной методике [16] с той лишь разницей, что для испытаний со смазкой контробразец частично погружался в смазочную среду так, чтобы при вращении смазка захватывалась контробразцом и вовлекалась в зону контакта. Образцы сплавов испытывались как в смазке (дизельная смазка 5W40), так и без нее (всухую).
В обоих случаях исследования проводились с пошаговым изменением давления от 0.2 МПа для испытаний без смазки и от 3.2 МПа для испытаний со смазкой. Давление повышалось ступенчатым образом вплоть до достижения задира.
2.4. Микроскопия поверхности
Сканирующая электронная микроскопия была основным методом исследования поверхности: применялся сканирующий электронный микроскоп FEI QUANTA 650 с приставкой для элементного анализа EDAX. Изображение получали с использованием двух детекторов — вторичных и обратно отраженных электронов. Использовалось ускоряющее напряжение 25 кВ. Измерения проводились в вакууме, специальной подготовки поверхности не требовалось. Микроскоп также снабжен камерой дифракции обратно отраженных электронов, которая позволила получить информацию о зеренной структуре поверхности и приповерхностных слоях, напряжениях в кристаллитах и их ориентации. Исследования поверхности с помощью сканирующей электронной микроскопии проводились до и после трибо-логических испытаний.
Сканирующая зондовая микроскопия применялась для изучения поверхности на микро- и наноуров-не: использовался сканирующий зондовый микроскоп SmartSPM™ (AIST-NT). Применялся режим тэйпинга (кантилеверы AIST-NT, fpN10, жесткость балки 1020 Н/м, резонансная частота 200-300 кГц). Поле сканирования составляло 100 х 100 мкм2. Исследования проводились на исходной поверхности.
3. Результаты исследований и их обсуждение
3.1. Микроскопические исследования поверхности исходных образцов
Для изучения исходной поверхности экспериментального сплава в литом и термообработанном состоянии применялась комплексная методика микроскопических исследований [11]. Данная методика предусматривает нанесение на поверхность специальных маркеров (реперов), что позволяет выделить и исследовать
различными методами микроскопии (электронной и зондовой) одни и те же области поверхности.
На рис. 1 приведены изображения, полученные сканирующей электронной и зондовой микроскопией поверхностей шлифов исходных образцов (литых и после термообработки).
Проведенный комплекс микроскопических исследований позволил получить более полную информацию о топографии поверхности сплава. Применяемая методика меток-реперов позволила соотнести данные сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии и идентифицировать отдельные фазы. Рентгеноспект-ральный анализ (сканирующая электронная микроскопия) дал возможность определить элементный состав отдельных фаз, в то время как методом атомно-силовой микроскопии была определена их морфология. Отметим, что применение атомно-силовой микроскопии позволило выявить фазы, практически незаметные на изображении, полученном методом сканирующей электронной микроскопии (кремниевая фаза в алюминиевой матрице видна очень плохо из-за близости атомных номеров).
Как было показано ранее [11, 14], термообработка изменяет структуру сплава. В настоящей работе комплексный анализ поверхности шлифов подтвердил, что после термообработки кремниевая и мягкая фазы приобрели округлую форму, содержание меди уменьшилось (из-за ее частичного растворения в алюминиевой матрице). Также в экспериментальном сплаве выявлена железосодержащая фаза (А115(Ре,Мп)^2), имеющая специфическую «скелетообразную» форму (рис. 1). Известно, что обычно в алюминиевом сплаве с железом образуется «игольчатая» фаза, которая вызывает охруп-чивание сплава. В данном случае добавление марганца нейтрализует вредное влияние железа и способствует образованию фазы «скелетообразной» формы, которая не ухудшает свойства сплава [13, 14]. Выявлено также, что термообработка не влияет на эту фазу.
3.2. Трибологические испытания
Для исследования влияния добавки железа в состав алюминиевых сплавов на его трибологические характеристики проводились сравнительные испытания сплавов с наличием железа (№ 1) и без него (№№ 2-4) на износ по схеме «вал - частичный вкладыш». Испытания проводились при постоянной скорости скольжения со ступенчато возрастающей нагрузкой в двух режимах: со смазкой и без нее. Работа в смазке является стандартным режимом эксплуатации таких материалов в узлах трения. Работа без смазки (экспресс-методика) применялась для сокращения длительности испытаний. Также это дало возможность изучить поведение сплава в экстремальном режиме эксплуатации (известно, что данные материалы по своим параметрам относятся к так называемым «самосмазывающимся»).
Al-Si б
X, МКМ Al-Si
0 0
Рис. 1. Изображение поверхности шлифов экспериментального сплава № 1: сканирующая электронная микроскопия, литое состояние (а); сканирующая зондовая микроскопия (3D), литое состояние (б); сканирующая электронная микроскопия, термооб-работанное состояние (в); сканирующая зондовая микроскопия (3D), термообработанное состояние (г)
В результате обработки экспериментальных данных были получены зависимости интенсивности изнашивания от контактного давления для двух случаев — со смазкой и без смазки (рис. 2).
Для испытаний без смазки видно, что изнашивание происходит неравномерно. Для каждого сплава можно выделить критическое давление, после которого наступает задир (см. также табл. 2). По этому параметру
лучшим оказался сплав № 1 с содержанием железа, который выдержал контактное давление в 2-3 МПа. При давлениях до критического уровня все сплавы показали схожую зависимость интенсивности изнашивания I от давления Р: I = 1.8-10-8 Р07.
Для испытаний со смазкой также были определены критические давления и получены уравнения изнашивания (зависимости интенсивности изнашивания
Давление, МПа
Рис. 2. Зависимость интенсивности изнашивания I исследуемых сплавов от контактного давления Р в режимах без смазки (а) и со смазкой (б)
Таблица 2
Критическое давление и уравнение изнашивания при испытаниях на износ исследуемых сплавов без смазки
Маркировка Критическое давление, МПа Уравнение изнашивания
№ 1 2-3
№ 2 0.5 I = 1.8 • 10-8 P07
№ 3 0.5
№ 4 1.0
Таблица 3
Критическое давление и уравнение изнашивания при испытаниях на износ исследуемых сплавов со смазкой
Маркировка Критическое давление, МПа Уравнение изнашивания
№ 1 23 I1 = 2.6 •Ю-11 P12
№ 2 10 I2 = 3.1 •Ю-11 P30
№ 3 10 I3 = 1.8 • 10-10 P19
№ 4 10 I4 = 1.4-10-9 P17
от давления). Полученные результаты приведены в табл. 3.
Показано, что при испытаниях со смазкой процесс изнашивания сплавов протекает более равномерно, но при давлении выше критического также образуется задир. Видно, что для сплава № 1 критическое давление в 2 раза выше, чем для остальных сплавов. Кроме того, этот сплав показал интенсивность изнашивания на 12 порядка ниже остальных и меньшую зависимость от давления.
По полученным результатам можно сделать вывод о том, что сплав № 1 (содержащий железо) превзошел по всем трибологическим параметрам сплавы №№ 24 как в нормальном режиме работы (т.е. в смазочной среде), так и в экстремальном (в режиме отсутствия смазки).
3.3. Исследование контактной пары после трибологических испытаний со смазкой
После трибологических испытаний со смазкой были проведены исследования поверхностей колодки и ролика. Исследования показали, что на поверхностях контактной пары, испытанной в смазке, произошли существенные изменения. Полученные методом сканирующей электронной микроскопии изображения поверхностей
контактной пары (испытанной при давлении 20 МПа) представлены на рис. 3.
Легко видеть образование полос, направление которых совпадает с направлением трения: на поверхности ролика эти полосы более выражены, чем на поверхности колодки. На поверхности колодки видно множество частиц округлой формы. Возможно, их форма связана с «обкатыванием» в процессе трения в жидкой масляной среде. Представляет интерес наличие элементов и их распределение по поверхности. На рис. 4 дано картирование области, показанной на рис. 3, по основным легирующим компонентам сплава.
Сравнение изображений сканирующей электронной микроскопии и результатов картирования показало, что обнаруженные частицы округлой формы содержат в своем составе много кремния и меди (в виде эвтектического соединения Al-Si и соединения Al2Cu соответственно). Очевидно, эти частицы обладают повышенной твердостью. На поверхности ролика (рис. 3, б) обнаружена пленка вторичных структур, образование которой обусловлено процессом массопереноса химических элементов с поверхности колодки в зоне контакта. Видно, что при испытаниях в смазке пленка вторичных структур, защищающая поверхность ролика от изнашивания, распределена равномерно тонким слоем.
Рис. 3. Поверхность контактной пары после испытаний со смазкой при давлении 20 МПа: колодка (сплав № 1) (а), ролик (б). Сканирующая электронная микроскопия с использованием детектора вторичных электронов. ВС — вторичные структуры
Рис. 4. Картирование поверхности колодки (сплав № 1) по основным легирующим элементам после трибологических испытаний со смазкой: Sn (а), Si (б), Cu (в)
Для более полного изучения процессов, происходящих при работе в режиме трения со смазкой, был приготовлен косой срез колодки после испытаний, который позволил исследовать приповерхностные слои образца сплава.
Совместное применение двух детекторов (вторичных и обратно отраженных электронов) позволило получить более полную картину наличия фаз, их формы и распределения по глубине (рис. 5). На полученных изображениях можно достаточно четко выделить приповерхностный слой, толщина которого составляет 3 040 мкм. (Отметим, что в работе [14], где испытания проходили в режиме сухого трения при давлениях на порядок меньше, толщина измененного слоя была примерно в 2-3 раза больше. Очевидно, это различие определяется различием режимов трения.) Видно, что структура этого слоя заметно отличается от структуры в объеме. Прослеживаются фазовые составляющие, упорядоченные в направлении трения («дорожки»). Для определения элементного состава на срезе были проведены рентгеноспектральный анализ и мэппинг (картирование). Результаты картирования по основным легирующим компонентам сплава представлены на рис. 6.
По приведенным данным можно определить состав «дорожек», которые представляют из себя оловянные фазы. Очевидно, что в процессе трения олово из объема выходит на поверхность. Это связано с тем, что в процессе трения в приповерхностном слое происходит деформирование зерен и дендритных ячеек алюминиевой матрицы, приводящее к выдавливанию легкоплавкой оловянной фазы на поверхность колодки. При повышении давления на шероховатых контактных поверхностях происходит микросхватывание, приводящее к процессу массопереноса (олово совместно с другими элементами переносится на контртело). Данный процесс ведет к образованию защитной пленки вторичных структур. Также на срезе колодки можно определить распределение тугоплавких фаз, которые в процессе трения концентрируются на поверхности в виде округлых частиц. Эти частицы создают дополнительный каркас, предотвращающий дальнейшее разрушение мягкой алюминиевой матрицы.
Использование метода дифракции обратно отраженных электронов позволило получить дополнительные результаты, которые демонстрируют процесс деформирования зерен алюминиевой матрицы в приповерхност-
Рис. 5. Поверхность косого среза колодки (сплав N° 1) после трибологических испытаний со смазкой. Сканирующая электронная микроскопия в обратно отраженных электронах (а), во вторичных электронах (б)
Рис. 6. Картирование поверхности косого среза колодки (сплав № 1) после трибологических испытаний со смазкой по основным легирующим элементам: Sn (а), Si (б), Си (в)
то же время видно, что в объемных слоях сплава зерна имеют различную ориентацию и не искажены. Внутри зерен А1 в световом микроскопе обычно хорошо видны дендритные ячейки, являющиеся сечениями отдельных ветвей дендритов.
Таким образом, показано, что комбинация различных электронно-микроскопических методов позволяет детально изучить процессы, происходящие на поверхности и в приповерхностном слое материала при трении.
3.4. Исследование контактной пары после трибологических испытаний без смазки
После проведения трибологических испытаний без смазки также были изучены изменения, произошедшие в зоне контакта. На рис. 8 представлены изображения поверхности контактной пары (колодки из экспериментального сплава и стального ролика) после испытаний при давлении 2 МПа. Для детального изучения процессов, происходящих при работе в режиме трения без смазки, также был приготовлен косой срез колодки после испытаний, который позволил изучить изменения, происходящие в материале по глубине (рис. 9).
Как видно из рис. 8, на поверхностях колодки и ролика произошло заметное изменение топографии и состава. В экстремальных условиях (без смазки) большая сила трения приводит к увеличению максимальных касательных напряжений образца и, как следствие, образованию периодических микротрещин на его поверхности, распространяющихся вглубь по направлению максимальных касательных напряжений [17]. Под воздействием силы трения эти трещины раскрываются, образуя чешуйчатую структуру поверхности (рис. 8, а, указаны стрелками) с последующим отделением частиц износа, которые имеют плоскую форму. Однако вследствие неоднородной структуры сплава с наличием твердых частиц развитие некоторых трещин задерживается. На рис. 9, а показан увеличенный фрагмент продольного шлифа испытанной колодки. Видно, что распро-
ном слое после трибоиспытаний (рис. 7). Анализ картин дифракции обратно отраженных электронов (рис. 7, б) показал, что в приповерхностной области идентифицировать зерна не удается (черный цвет, указан стрелкой), очевидно, в результате их сильной деформации. В области более отдаленной от поверхности (100-150 мкм) достаточно четко выделяются зерна (серый цвет), однако определить их ориентацию не представляется возможным — по-видимому, из-за их сильного искажения. В
Рис. 7. Электронно-микроскопическое изображение поверхности косого среза колодки (сплав № 1) после трибологических испытаний со смазкой: во вторичных электронах (а); карта дифракции обратно отраженных электронов (б)
Рис. 8. Контактная пара после трибологических испытаний без смазки при давлении 2 МПа: колодка (сплав № 1) (а), ролик (б). Сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах
странение трещины заканчивается на твердом включении (А12Си). Таким образом, структура сплава препятствует развитию трещин в процессе трения в экстремальном режиме, обеспечивая тем самым большую из-
носостойкость и нагрузочную способность, что и подтверждается результатами трибологических испытаний (см. рис. 2, а). При испытаниях со смазкой, в отличие от испытаний без смазки, меньшая сила трения создает
1 00 мтсм
Рис. 9. Поверхности косого среза колодки (сплав № 1) после трибологических испытаний без смазки: сканирующая электронная микроскопия (а), картирование по основным легирующим элементам: Sn (б), Si (в), Си (г)
меньшие касательные напряжения, которые недостаточны для потери сдвиговой устойчивости материала.
Известно, что изменение условий в зоне контакта (в частности повышение давления и температуры) может вызывать упругопластические деформации поверхностных и приповерхностных слоев трущихся тел [18]. При этом на контактных поверхностях протекает комплекс механических и физико-химических процессов, при которых материал колодки переносится на стальную поверхность ролика, способствуя образованию пленки вторичных структур. В экстремальных условиях работы узла трения дальнейшее увеличение давления и температуры в зоне контакта приводит к пластическому течению материала колодки и более интенсивному массопереносу. Данные процессы способствуют образованию налипов и развитию рельефа на ролике (рис. 8, б).
Сканирующая электронная микроскопия поверхности ролика с элементным анализом (рис. 8, б) позволили установить наличие продольных полос и областей, отличающихся по цвету и химическому составу от материала ролика. Таким образом, было установлено, что в контактной зоне происходит трение двух однородных материалов («перенесенный на ролик алюминий — по алюминиевой колодке»). Адгезия у однородных материалов выше, поэтому происходит развитие макрорельефа, что влечет за собой деформацию и частичное разрушение материала колодки (на рис. 8, а обнаружено образование продольных канавок и каверн).
При трении структура материала приповерхностного слоя и его свойства изменяются. Это обусловлено пластической деформацией в зоне контакта, когда осуществляется переход механической энергии в тепловую [1]. Проведенные исследования косого среза колодки (рис. 9) показали, что в приповерхностных слоях мягкие фазы гомогенно перераспределились (перемешались) (рис. 9, б). Очевидно, что это происходит вследствие значительного повышения температуры в контактной зоне. В то же время тугоплавкие фазы (эвтектическое соединение Al-Si и Al2Cu) остались в приповерхностных слоях, не меняя своей конфигурации (рис. 9, в, г). В настоящей работе, при проведении испытаний в смазке, наблюдается процесс выдавливания мягких фаз к поверхности (происходящий вследствие деформации зерен (рис. 7, б) и дендритных ячеек), который невозможно отследить при испытаниях «всухую».
4. Выводы
В работе показано, что добавление железа приводит к повышению износостойкости (при испытаниях как в смазке, так и без смазки).
При трибоиспытаниях в режиме со смазкой у всех исследуемых сплавов задир наблюдался при гораздо более высоких давлениях, чем без смазки. При этом
для железосодержащего сплава критическое давление (после которого наступает задир) также значительно выше, чем для остальных сплавов. Это объясняется тем, что железосодержащие фазы представляют собой твердые включения и вместе с фазами Al2Cu и Al-Si создают дополнительный каркас, предотвращающий дальнейшее разрушение мягкой алюминиевой матрицы. Данный сплав показал интенсивность изнашивания на 1-2 порядка ниже остальных и меньшую зависимость от давления.
При трибоиспытаниях в режиме без смазки для всех сплавов при повышении давления происходит задир. Однако для железосодержащего сплава это происходит при более высоких давлениях (примерно в 2 раза больших, чем для других сплавов) благодаря неоднородной структуре, содержащей твердые включения, которые препятствуют распространению трещин с поверхности вглубь материала.
На поверхности контактных пар при трибологи-ческих испытаниях развивается характерный рельеф. В приповерхностных слоях исследуемых сплавов (колодок) после испытаний в смазке наблюдается изменение расположения элементов — прежде всего, выдавливание олова на поверхность. Испытания без смазки приводят к гомогенному перераспределению этого элемента. В процессе трения вследствие механических и физико-химических процессов, происходящих на поверхности контактных пар, возникает массоперенос, способствующий формированию пленки вторичных структур. Пленка вторичных структур на поверхности ролика может играть различную роль в условиях трения в смазке и без смазки. В первом случае она играет защитную роль, в то время как при трении без смазки (при развитии макрорельефа) она может способствовать образованию задира.
Таким образом, в работе выявлены и объяснены достаточно высокие трибологические свойства железосодержащих алюминиевых сплавов. Сплав может работать как в смазке, так и в критических режимах трения. Тем самым показана возможность и перспективность использования вторичного железосодержащего сырья (лома) при производстве антифрикционных алюминиевых материалов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РНФ 14-19-01033-П (приготовление образцов и их шлифов), по теме государственного задания № АААА-А17-117021310379-5 (трибологические испытания) и гранта Президента РФ МК-871.2018.8 № АААА-А18-118080290023-0 (микроскопические исследования и изучение дифракции обратно отраженных электронов).
Авторы выражают благодарность Н.А. Белову за предоставленные сплавы.
Литература
1. Алисин В.В., Алябьев А.Я., Архаров A.M. и др. Трение, изнашивание
и смазка: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1978. - 400 с.
2. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.
3. Unlu. B.S., Atik E. Tribological properties of journal bearings manufactured from particle reinforced Al composites // Mater. Des. - 2009. -No. 30. - P. 1381-1385.
4. Feyzullahoolu E., Erturk A.T., Guven E.A. Influence of forging and heat treatment on wear properties of Al-Si and Al-Pb bearing alloys in oil lubricated conditions // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. -2013. - No. 23. - P. 3575-3583.
5. Буше H.A., Горячева И.Г., Корнеев Р.А. Контактное взаимодействие
антифрикционных сплавов, содержащих мягкую фазу // Изв. вузов. Сев.-Кав. рег. Техн. науки. - 2001. - Спецвыпуск. - С. 35-39.
6. Zhang S., Pan Q, Yan J., Huang X. Effects of sliding velocity and normal load on tribological behavior of aged Al-Sn-Cu alloy // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. - 2016. - V. 26. - P. 1809-1819.
7. Курбаткин И.И., КудряшовА.Е. Трибологические характеристики
антифрикционных сплавов и процессы массопереноса при работе контактных пар в подшипниках скольжения // Трение и износ. -2011. - Т. 32. - № 6. - С. 579-584.
8. Bushe N.A., Goryacheva I.G., Makhovskaya Yu.Yu. Effect of aluminum-alloy composition on self-lubrication of frictional surfaces // Wear. - 2003. - No. 254. - P. 1276-1280.
9. Буше Н.А., Миронов А.Е., Маркова Т.Ф. Новый алюминиевый сплав, заменяющий традиционные материалы // Железные дороги мира. - 2003. - № 11. - С. 44-47.
10. Миронов А.Е., Гершман И.С., Овечкин А.В., Гершман Е.И. Сравнение задиростойкости новых антифрикционных алюминиевых
сплавов и традиционных антифрикционных бронз // Трение и износ. - 2015. - Т. 36. - № 3. - С. 334-339.
11. Столярова О.О., Муравьева Т.И., Загорский Д.Л., Белов Н.А. Микроскопия в исследовании поверхности антифрикционных многокомпонентных алюминиевых сплавов // Физ. мезомех. -2016. - Т. 19. - № 5. - С. 105-114.
12. Белов Н.А., Столярова О.О., Муравьева Т.И., Загорский Д.Л. Фазовый состав и структура алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Si-Sn-Pb // ФММ. - 2016. - Т. 117. - № 6. - С. 600-608.
13. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов. - М.: МИСиС, 2009. - 392 с.
14. Щербакова О.О., Муравьева Т.И., Загорский Д.Л. Комплексное микроскопическое исследование антифрикционных алюминиевых сплавов, содержащих железо, до и после триботехнических испытаний // Письма о материалах. - 2018. - Т. 8. - № 2. - С. 123128.
15. Сачек Б.Я., Мезрин А.М., Муравьева Т.И., Столярова О.О. Комплексная экспресс-оценка триботехнических свойств антифрикционных алюминиевых сплавов методом склерометрии // Трение и износ. - 2016. - Т. 37. - № 5. - С. 606-613.
16. Сачек Б.Я., Мезрин А.М., Муравьева Т.И., Столярова О.О., Загорский Д.Л., Белов Н.А. Исследование трибологических свойств антифрикционных алюминиевых сплавов с использованием метода склерометрии // Трение и износ. - 2015. - Т. 36. - № 2. -С. 137-146.
17. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
18. Алексеев Н.М., Буше Н.А. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении. Подповерхностные процессы // Трение и износ. - 1985. - Т. 6. - № 5. - С. 773-783.
Поступила в редакцию 24.05.2018 г., после переработки 04.07.2018 г.
Сведения об авторах
Щербакова Ольга Олеговна, к.т.н., нс ИПМ РАН, shcherbakovaoo@mail.ru Муравьева Тамара Ивановна, нс ИПМ РАН, muravyeva@list.ru
Загорский Дмитрий Львович, к.ф.-м.н., внс ИПМ РАН, доц. РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, dzagorskiy@gmail.com Мезрин Алексей Михайлович, к.ф.-м.н., нс ИПМ РАН, amezrin@rambler.ru Сачек Борис Ярославович, к.т.н., нс ИПМ РАН, bsachek@mail.ru
