CC BY
41
УДК 620.186, 620.187, 621.893
Микроскопия в исследовании поверхности антифрикционных многокомпонентных алюминиевых сплавов
О.О. Столярова1,2, Т.И. Муравьева1, Д.Л. Загорский1,3,4, H.A. Белов2
1 Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва, 119526, Россия 2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, 119049, Россия
3 Институт кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН, Москва, 119333, Россия 4 Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 119991, Россия
Работа посвящена исследованию новых антифрикционных многокомпонентных алюминиевых сплавов. Изучалось влияние различных режимов термообработки на характеристики поверхности. Использовалась комплексная методика микроскопических исследований поверхности различных сплавов до и после трибологических испытаний. Исследовались процессы, происходящие в контактной зоне при различных условиях трения. Показано, что термообработка меняет структуру сплавов. При гомогенизацонном отжиге (Т0-400) происходит сфероидизация только мягкой фазовой составляющей и частичное растворение 0-фазы. Термообработка сплавов при режиме Т0-500 дополнительно приводит к сфероидизации кремниевой фазы, при этом количество 0-фазы уменьшается значительно. Установлена корреляция между данными сканирующей электронной и зондовой микроскопии. Обнаружено, что при малых давлениях в зоне трения происходит выделение мягкой фазовой составляющей. На поверхность стального ролика переносится материал колодки, образуя пленку вторичных структур. При значительном повышении давления на поверхности сплавов могут образовываться как крупные «оксидные нити», так и мелкие частицы подобного элементного состава (продукты износа).
Ключевые слова: антифрикционные материалы, многокомпонентные алюминиевые сплавы, термообработка, трибологические исследования, электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия
Microscopic investigation of the surface of antifriction multicomponent
aluminum alloys
O.O. Stolyarova1,2, T.I. Muravyeva1, D.L. Zagorskiy1,3,4, and N.A. Belov2
1 Institute for Problems in Mechanics of RAS, Moscow, 119526, Russia 2 National University of Science and Technology MISIS, Moscow, 119049, Russia 3 Institute of Crystallography of RAS, Moscow, 119333, Russia 4 Gubkin Russian State University of Oil and Gas, Moscow, 119991, Russia
This paper investigates new antifriction multicomponent aluminum alloys. The influence of different heat treatment regimes on the surface parameters has been studied. A complex microscopy technique is applied to examine the surface of different alloys before and after tribological tests. Processes occurring in the contact area in different friction conditions are studied. It is shown that heat treatment changes the structure of alloys. Homogenization annealing (400°C) causes spheroidization of only the soft phase component and partial dissolution of the ©-phase. Heat treatment at 500°C leads additionally to spheroidization of the silicon phase due to which the ©-phase content decreases dramatically. A correlation has been established between scanning electron and scanning probe microscopy data for the studied samples. It is found that the soft phase component precipitates in the friction zone at low pressure. The material of the shoe is transferred to the surface of the steel roller and forms a film of "secondary structures". Wear debris, namely, large fragments or "oxide threads" and small particles of the same chemical composition, can form on the alloy surface at high pressure values.
Keywords: antifriction materials, multicomponent aluminum alloys, heat treatment, tribological studies, electron microscopy, scanning probe microscopy
1. Введение
Важной проблемой в машиностроении является повышение трибологических свойств материалов, используемых в узлах трения, в частности в подшипниках
скольжения. В настоящее время для изготовления таких узлов используются главным образом сплавы на основе дорогостоящей меди, в частности бронзы БрОЦС 4-4-17 [1, 2]. Для улучшения эксплуатационных свойств изде-
© Столярова О.О., Муравьева Т.И., Загорский Д.Л., Белов H.A., 2016
лий, а также для их удешевления проводятся поиск и исследование новых материалов, в частности подшипниковых сплавов на основе алюминия. Алюминиевые сплавы имеют хорошие литейные свойства и по своим характеристикам не уступают медным [3]. В этих сплавах удачно сочетаются эксплуатационные и технологические свойства. Они обладают достаточной усталостной прочностью, коррозионной стойкостью в маслах, имеют сравнительно высокую задиростойкость и хорошие антифрикционные свойства [4].
Применение таких сплавов позволит получить большой экономический эффект, поскольку цена единицы объема алюминиевого сплава примерно в 10 раз ниже цены бронзы (и они значительно легче). Кроме того, замена бронзы на алюминий повысит экологическую безопасность, поскольку в сплавах уменьшается и процентное содержание свинца (от 15-20 до 1-3 %). В настоящее время применяются подшипники на основе алюминия, в частности сплава А020-1 [5-8], содержащего 17-23 мас. % Sn и 0.7-1.2 % Си. Наличие мягкой оловянной фазы в сплаве А020-1 обеспечивает постоянную структурную самоорганизацию, которая сопровождается образованием защитной пленки (третьего тела) и влияет на более длительную работу подшипников. Основными недостатками данного сплава являются пониженные механические свойства и высокая стоимость олова. В связи с этим весьма актуальна задача создания новых, экономно легированных алюминиевых сплавов. Их химический состав должен быть подобран таким образом, что, обладая хорошими триботехничес-кими и повышенными прочностными свойствами, они
содержали меньшее количество мягкой фазовой составляющей, что сделает их значительно дешевле. Повысить механические свойства можно за счет дополнительного легирования, в частности добавками меди и кремния. Медь, как известно, является одним из самых эффективных упрочнителей в алюминиевых сплавах. Кремний позволяет повысить литейные свойства и, как следствие, расширить область применения алюминиевых подшипниковых сплавов для изготовления деталей методами фасонного литья [9-11].
Научной основой оптимизации составов сплавов являются фазовые диаграммы многокомпонентных систем. Авторами [12] были изучены фазовые диаграммы, на основании которых был предложен состав экспериментальных сплавов, исследуемых в настоящей работе. Олово (6 %), свинец (2 %) и висмут (2 %) введены с целью образования мягкой фазовой составляющей, предназначенной для повышения антифрикционных свойств [13]. Концентрация меди (4 %), введенной для упрочнения, близка к предельной растворимости этого металла в алюминиевом твердом растворе. Основное назначение добавки кремния — повышение литейных свойств [10]. При концентрации кремния 5 %, как правило, достигается наилучший баланс между механическими и технологическими свойствами.
2. Цель работы
Данная работа посвящена комплексным микроскопическим исследованиям поверхности новых многокомпонентных алюминиевых сплавов. Целью работы являлось изучение новых алюминиевых сплавов и уста-
Таблица 1
Химический состав исследованных сплавов (номинальный и фактический)
Концентрация, мае. %
Маркировка Si Cu Sn Pb Bi Al
Ном. Факт. Ном. Факт. Ном. Факт. Ном. Факт. Ном. Факт.
1 - <0.01 - <0.01 6 5.83 - <0.01 - - оет.
2 5 5.05 4 4.14 6 5.16 - - - - оет.
3 5 4.93 4 4.29 6 5.59 2 1.00 - <0.01 оет.
4 5 4.79 4 4.22 6 5.60 - <0.01 2 3.14 оет.
5 5 4.75 4 4.18 6 5.68 2 1.01 2 1.70 оет.
6 5 4.87 4 3.94 - - - - - - оет.
7 5 4.76 4 4.02 - <0.01 2 0.30 - <0.01 оет.
8 5 4.66 4 4.10 - <0.01 - <0.01 2 2.34 оет.
9 5 4.64 4 4.07 - <0.01 2 0.72 2 1.15 оет.
10 - <0.01 - <0.01 20 21.35 - <0.01 - <0.01 оет.
11 5 4.99 - <0.01 20 20.09 - <0.01 - <0.01 оет.
12 - <0.01 4 4.58 20 19.00 - <0.01 - <0.01 оет.
13 10 10.41 - <0.01 20 16.25 - <0.01 - <0.01 оет.
Рис. 1. Микроструктура поверхности сплава системы Al -
5 % Si - 4 % Cu- 6 % Sn- 2 % Pb в литом состоянии. Сканирующая электронная микроскопия
новление корреляции между составом, режимом термообработки и свойствами поверхности (топография и элементный состав). Также задачей работы было исследование процессов, происходящих на контактной поверхности при трении.
3. Материалы и методы исследования
В настоящей работе были изучены сплавы системы Al-Si-Cu-Sn-Pb-Bi на основе алюминия высокой чистоты, химический состав которых приведен в табл. 1.
Термообработку отливок проводили в муфельной электрической печи SNOL 8,2/1100 по режиму 500 °С,
6 ч, закалка в воде, далее старение по режиму 175 °С, 6 ч (Т0-500).
В данной работе применялась комплексная методика микроскопических исследований, все методы использовались последовательно. На начальном этапе использовались оптические микроскопы AxioObserver MAT, Neophot-2 с системой наблюдения изображения в цифровом формате Image Scope. Основные микроскопические исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе Philips SEM-505 с системой
рентгеновского микроанализа Genesis 2000 XMS 60 SEM. При этом совместно с получением топографического изображения проводилось исследование элементного состава как по всей поверхности, так и в выбранных областях, а также картирование по отдельным элементам. Изображение с высоким разрешением, а также 3D-изображение поверхности было получено на сканирующем зондовом микроскопе Smart SPMTM. К особенностям последнего следует отнести наличие оптической камеры для предварительного получения изображения образца и выбора области исследования.
Как будет показано ниже, при исследовании поверхности алюминиевых сплавов данные методы существенно дополняют друг друга.
В отличие от большинства исследований, в данной работе методами сканирующей электронной и зондовой микроскопии изучались одни и те же области поверхности. Это было достигнуто за счет расширенных возможностей сканирующей зондовой микроскопии (наличие оптической камеры) и благодаря предложенному способу поиска и идентификации заранее заданной области путем нанесения маркеров.
Образцы сплавов изучались на различных стадиях получения: литые, после термообработки и трибологи-ческих исследований.
4. Результаты исследования и их обсуждение
4.1. Сравнение двух типов термообработки
Для изучения влияния различных режимов термообработки на структуру поверхности был выбран сплав системы Al - 5 % Si - 4 % Cu - 6 % Sn - 2 % Pb (образец 3). Этот сплав, помимо предложенной в данной работе термообработки Т0-500, был подвергнут обработке в другом режиме: отжиг в муфельной электропечи SNOL 8,2/1100 (нагрев до 400 °С и выдержка 6 ч); охлаждение вместе с печью (Т0-400) [14]. Микроструктура поверхности сплава после различных термообработок приведена на рис. 1, 2.
Рис. 2. Влияние различных режимов термообработки на микроструктуру поверхности сплава: после гомогенизационного отжига (термообработка при 400 °С) (а) и после термообработки при 500 °С с закалкой в воде (б). Сканирующая электронная микроскопия
Рис. 3. Влияние различных режимов термообработки на микроструктуру поверхности на примере сплава системы А1 - 5 % Si -4 % Си - 6 % Sn- 2 % РЬ: после гомогенизационного отжига (термообработка при 400 °С) (а) и после термообработки при 500 °С с закалкой в воде (б). Сканирующая зондовая микроскопия
Полученное изображение микроструктуры поверхности литого сплава (рис. 1) свидетельствует о том, что на поверхности присутствуют различные фазовые составляющие. Как показал рентгеноспектральный анализ, основой сплава является алюминиевая матрица, по границам зерен которой выделяется мягкая фазовая составляющая (олово, свинец), соединение алюминия с медью (Al-Cu, А12Си-в-фаза), а также кремниевая фаза.
На рис. 2 показано, как различные режимы термообработки влияют на структуру и фазовые составляющие поверхности. На электронно-микроскопических изображениях кремний в матрице виден очень плохо (это связано близостью атомных номеров кремния и алюминия). Дополнительную информацию можно получить, применяя сканирующую зондовую микроскопию (рис. з).
Анализ рисунков показывает, что данные сканирующей электронной и зондовой микроскопии взаимно дополняют друг друга. Сравнение изображений сканирующей электронной и зондовой микроскопии демонстрирует, что отжиг при температуре 400 °С (с медленным охлаждением) незначительно влияет на характер поверхности. Напротив, отжиг при более высокой температуре (500 °С) сильнее изменяет структуру. Основные изменения связаны с процессами коагуляции (укрупнения) и сфероидизации фазовых составляющих.
Очевидно, последнее связано с тем, что в процессе нагрева происходит локальное оплавление легкоплавкой составляющей, при котором значительно ускоряются диффузионные процессы, способствующие сферо-идизации избыточных фаз. Отметим, что кремниевая фаза начинает сфероидизироваться только при 500 °С, в то время как этот процесс в мягких фазах происходит при значительно меньших температурах (Т0-400). При Т0-400 происходит незначительное растворение меди, в то время как при Т0-500 большая часть меди растворяется в алюминиевом твердом растворе, поэтому количество включений в-фазы становится меньше, чем в литом состоянии.
Таким образом показано, что отжиг при температуре 500 °С сильно изменяет структуру сплава. В связи с этим все новые экспериментальные сплавы прошли термообработку в этом режиме.
5. Исследование литых сплавов и сплавов после термообработки Т0-500
Во второй части работы были изучены 13 сплавов вышеупомянутой серии (табл. 1). Ниже приводятся типичные изображения поверхностей для некоторых сплавов в литом и термообработанном (Т0-500) состоянии, полученные комплексным микроскопическим методом.
JSS' ■ ■ Г
Aií i
■ " к -Л— -'iv,
-V л ' V. - Жг,- i '
' Vwft ь.• I
/ä* * • • ♦ чЬУ', ■•■ • >
t-Л. "Я .. \ 4
Jb..
50 мкм I I
. • --V,
Щ\
• ' \ • i Г -г ' ' •
,Л •* 9 ^
т N
Я J
Л
к
•'i
;"'■ ■ -
50 мкм I I
/ Я St ' у . Л
\ ; V.
. V4J4 - Ш SS
Рис. 4. Сплав 7: литой (а) и после термообработки (б). Оптическая микроскопия
№ образца
Исследуемые участки
Установленный химический состав (мае. %)
1, мягкая фаза
88.36
4 (литой)
2, мягкая фаза
16.90
81.80
3, эвтектика Al-Si
35.48
64.52
4, ©-фаза
55.51
15.60
24.22
1, эвтектика Al-Si
98.62
4 (термо-
2, мягкая фаза
72.12
24.63
обработка)
3, мягкая фаза
17.34
79.89
4, матрица
95.40
1, эвтектика Al-Si
73.67
26.33
6 (литой)
2, ©-фаза
3, матрица
51.39 100.00
47.08
4, ©-фаза
64.43
30.29
Весь участок
81.47
6 (термообработка)
1, эвтектика Al-Si 24.73
2, ©-фаза 49.40
73.11 0.80
2.16 49.80
3, эвтектика Al-Si
90.49
4, эвтектика Al-Si
63.59
33.61
Рис. 5. Микроструктура поверхности сплавов: литые (а, в) и после термообработки (б, г). Сплавы 4 (а, б) и 6 (в, г)
Таблица 2
Химический состав структуры образцов 4 и 6
10 мкм
5.1. Оптическая микроскопия
Исследования методом оптической микроскопии были проведены для всех образцов. На примере образца 7 показано влияние термообработки на структуру сплава (рис. 4).
Полученные результаты демонстрируют сфероиди-зацию кремниевой и мягкой фаз после термообработки. Приведенные изображения свидетельствуют также (на макроуровне) о высокой гомогенности приготовленных сплавов, об отсутствии дефектов литья.
5.2. Электронная микроскопия
Дальнейшее исследование влияния термообработки на поверхность всех сплавов проводилось с использованием электронной микроскопии с рентгеноспектраль-ным микроанализом. На рис. 5 представлены наиболее наглядные результаты, полученные для сплавов 4 и 6, а в табл. 2 приведен химический состав выделенных областей этих сплавов.
Полученные результаты (как и результаты оптической микроскопии) показывают сфероидизацию кремниевой и мягкой фаз после термообработки. Кроме того, происходит уплотнение и/или укрупнение ©-фазы (см., например, образец 6). Аналогичный эффект наблюдается для всех сплавов: у образцов после отжига включения имеют более плотную однородную структуру. Обнаружено также, что мягкая фаза «обтекает» кремниевую фазу (образец 4). Отметим, что авторы работы, исследовавшие трехкомпонентный сплав отмечали подобный эффект «обтекания» кремния оловом [14]. Анализ элементного состава показывает, что содержание меди в матрице увеличивается за счет ее перехода из частично растворяющейся ©-фазы (см. табл. 2).
5.3. Комбинированное исследование (сканирующая электронная и зондовая микроскопия) исходной поверхности сплавов
Дальнейшее изучение сплавов после термообработки было проведено совместно методами сканирующей
Таблица 3
Химический состав поверхности сплава 6
№ учаетка Содержание элементов, мае. %
O Al Si Cu
1 - 16.74 83.26 -
2 5.81 40.69 - 53.50
3 - 19.14 80.86 -
4 2.91 52.33 - 44.75
5 - 34.94 63.71 1.35
6 - 21.54 78.46 -
7 3.25 46.77 - 49.98
8 - 14.16 85.84 -
9 2.34 43.97 1.85 51.84
электронной и зондовой микроскопии. Эти методы широко применяются совместно, однако ранее при этом исследовались различные участки поверхности, вследствие чего возникал вопрос о соответствии результатов, об однозначной идентификации фазовых составляющих сплава. Для решения этого вопроса на данном этапе был применен новый метод выбора поверхности для исследований. Задача состояла в том, чтобы методами сканирующей электронной и зондовой микроскопии изучать одну и ту же область поверхности. Для этого на поверхность наносились метки в виде двух пересекающихся линий. После этого исследуемую область легко было идентифицировать обоими методами. Область, первоначально исследованная с использованием сканирующей электронной микроскопии, исследовалась затем с помощью зондового микроскопа, т.к. при перемещении образца «не терялась» информация о расположении исследуемой области.
Данный подход был применен к исследованию всех 13 сплавов. На рис. 6-10 в качестве примера даны результаты изучения поверхности сплава 6. После нане-
б
0
10 мкм I I I
20 мкм
Рис. 6. Электронно-микроскопическое изображение поверхности сплава 6: общий вид (а), выделенный квадратом участок поверхности (б)
Рис. 7. Распределение химических элементов по поверхности (картирование) сплава 6: Al (a), Cu (б), Si (в)
сения метки-репера на поверхность образца и выбора определенной области были проведены электронно-микроскопические исследования. Результаты представлены ниже: на рис. 6 приводится изображение поверхности, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Выделенная область исследовалась в дальнейшем методом сканирующей зондовой микроскопии, стрелками показаны зоны проведения микроанализа). В табл. 3 приведен элементный анализ поверхности сплава 6, а на рис. 7 — картирование поверхности.
Далее были проведены исследования с помощью сканирующего зондового микроскопа той же области поверхности образца. На рис. 8 представлено изображение с видеокамеры сканирующего зондового микроскопа. По этому изображению можно точно выбрать место исследований — на поверхности четко видны перекрещивающиеся линии. Область, ранее исследованная методом сканирующей электронной микроскопии, выделена квадратом.
Полученное на данном участке с помощью сканирующего зондового микроскопа изображение приведено на рис. 9, а на рис. 10 дано изображение выделенного фрагмента с измеренными параметрами профиля секущих.
Предложенный подход позволил четко и однозначно определять элементный состав участков поверхности
Рис. 8. Изображение, полученное с видеокамеры сканирующего зондового микроскопа. Размер выделенной области 100x100 мкм
и сравнивать его с топографией. Практически неразличимые на электронно-микроскопической картине элементы (например Si на фоне А1 матрицы на рис. 6) очень хорошо видны на изображениях, полученных с использованием зондового микроскопа (рис. 9, 10). Рентгено-спектральный анализ позволил определить элементный состав поверхности (табл. 3), а применение метода картирования дало возможность качественно оценить распределение элементов на поверхности (рис. 7).
5.4. Исследование поверхности сплавов после трибологических испытаний
Для исследования антифрикционных свойств были проведены трибологические испытания алюминиевых
б
Рис. 9. Морфология поверхности сплава 6 с выделенным исследуемым участком (а), 3D-изобрaжение (б). Сканирующая зондовая микроскопия
y, мкм
х, мкм
30 мкм нм 235
№ секущей Высота, нм
1 (Al-Si) 83.4
2 (Al2Cu) 124.6
3 (Al-Si) 66.6
4 (Al2Cu) 135.7
5 (Al-Si) 58.4
6 (Al-Si) 57.4
7 (Al2Cu) 131.9
Рис. 10. Сканирующая зондовая микроскопия: морфология поверхности выделенного участка сплава 6 с проведенными секущими (справа приведены параметры профилей секущих)
сплавов по известной методике на трибометре Т-05 по схеме «вал - вкладыш». Испытуемая пара: кольцо (сталь 45, HRc 30-35) - вкладыш (образцы, выполненные из алюминиевых сплавов). Условия испытаний: трение без смазки, V = 1.0 м/с, Р = 1.0-6.4 МПа. Проведенные исследования показали, что сплавы после термообработки ТО-400 близки по своим триботехническим свойствам к эталонному бронзовому сплаву при давлении Р ~ 3 МПа [15]. После ТО-500 способность сплавов выдерживать нагрузку в интервале небольших давлений Р = 0.2-0.5 МПа примерно на полпорядка лучше бронзы. В то же время в интервале давлений Р ~ 0.5 МПа свойства ухудшаются: интенсивность изнашивания и температура в зоне трения существенно возрастают, в то время как бронза сохраняет свою функциональную способность. Таким образом, было показано, что режим термообработки при 400 °С предпочтительнее для антифрикционных сплавов.
На примере сплава 13 показаны процессы, происходящие на поверхности при трении при различных давлениях. Результаты, полученные для сплава 13 после
трибологических испытаний при давлении 1 МПа, представлены на рис. 11. На рисунке показана микроструктура поверхности контактной пары колодка-ролик, в табл. 4 приведен их химический состав.
Анализ поверхности показал, что на поверхности колодки, вследствие повышения температуры в зоне трения, происходит выделение (выплавление) мягкой фазовой составляющей (участки 1-3 на рис. 11). На поверхность стального ролика переносится материал колодки, образуя пленку вторичных структур (табл. 4). Также отмечено повышенное содержание кислорода и углерода на обеих контактных поверхностях, что может свидетельствовать о наличии небольшого количества карбидов и оксидов на поверхности.
После трибологических испытаний при давлении 6.4 МПа характер поверхности сильно изменился. Это можно видеть на рис. 12, на котором приведены характерные области поверхности колодки и ролика. В табл. 5 приведен химический состав.
Рентгеноспектральный анализ показал, что на всей поверхности колодки обнаружены «оксидные нити» —
1 ¡
Рис. 11. Микроструктура поверхности контактной пары «колодка из сплава 13 - стальной ролик» после триботехнических испытаний при давлении 1 МПа: поверхность колодки (а) и ролика (б)
Таблица 4
Химический состав поверхности колодки из сплава 13 и стального ролика (Р = 1.0 МПа)
Исследуемые участки Содержание элементов, мае. %
C O Fe Al Si Sn
Колодка Весь участок - 4.73 - 61.31 9.76 24.20
Участок 1 - 5.33 - 41.50 3.49 49.68
Участок 2 4.45 11.67 3.40 14.38 1.35 64.75
Участок 3 4.96 5.48 5.05 6.08 0.77 77.66
Участок 4 31.39 - - - 68.61 -
Ролик Весь участок 9.96 17.58 44.48 18.60 2.67 6.72
Участок 1 5.68 5.69 85.65 2.43 0.55 -
Участок 2 9.65 30.82 - 31.09 9.15 19.29
Участок 3 - - 3.78 0.71 - 95.51
Участок 4 19.44 45.26 - 35.30 - -
Таблица 5
Химический состав поверхности колодки из сплава 13 и стального ролика (Р = 6.4 МПа)
Исследуемые Содержание элементов, мае. %
участки C O Al Si Sn Fe Cr
Участок 1 - - 3.10 96.90 - - -
Колодка Участок 2 - 24.31 66.62 1.49 7.57 - -
Участок 3 - 5.21 28.71 - 66.08 - -
Участок 1 9.45 13.26 13.95 0.85 7.16 55.32 -
Ролик Участок 2 15.79 28.04 25.08 0.57 6.44 24.09 -
Участок 3 6.31 - 3.69 0.59 - 87.92 1.48
Рис. 12. Микроструктура поверхности контактной пары «колодка из сплава 13 - стальной ролик» после триботехнических испытаний при давлении 6.4 МПа: поверхность колодки (а), ролика (б)
жгутообразные включения с высоким содержанием кислорода и углерода, находящиеся, очевидно, в различных стадиях образования и разрушения. Также на всей поверхности находятся мелкие частицы подобного элементного состава. Можно предположить, что в процессе трения в зоне контакта поверхность окисляется и насы-
щается углеродом, на ней в процессе трения образуются продукты износа в виде жгутиков, состоящих из оксидов и карбидов, которые впоследствии разламываются на более мелкие частицы. Перенесенный на поверхность ролика материал колодки также содержит большое количество кислорода и углерода. Если после испытаний
при давлении 1.0 МПа (рис. 11) количество оксидных областей на поверхности ролика минимально, то при давлении 6.4 МПа практически вся поверхность насыщена кислородом (светлые включения на рис. 12).
6. Выводы
С помощью проведенного химического анализа установлено, что основой всех экспериментальных сплавов является алюминиевая матрица. По границам зерен происходит выделение мягкой фазы, а также включений в-фазы (соединения Al-Cu). Наличие кремния в структуре алюминиевого сплава приводит к образованию дендритов. Это особенно заметно у сплавов с максимальным содержанием кремния 10 %.
Показано, что термообработка меняет структуру сплавов. При гомогенизационном отжиге (Т0-400) происходят сфероидизация только мягкой фазовой составляющей и частичное растворение в-фазы. Термообработка сплавов при режиме Т0-500 дополнительно приводит к сфероидизации кремниевой фазы. При этом количество включений в-фазы становится меньше, чем в литом состоянии, что связано с их значительным растворением в алюминиевой матрице при отжиге.
Предложен метод идентификации изучаемой поверхности (нанесение метки-маркера), который позволил методами сканирующей электронной и зондовой микроскопии изучать одну и ту же область. Удалось, в частности, установить полное соответствие фазового состава и топографии.
0бнаружено, что при малых давлениях на поверхности колодки вследствие повышения температуры в зоне трения происходит выделение мягкой фазовой составляющей. На поверхность стального ролика переносится материал колодки, образуя пленку вторичных структур. При значительном повышении давления на поверхности сплавов могут образовываться как крупные «оксидные нити» (жгутообразные включения с высоким содержанием кислорода и углерода), так и мелкие частицы подобного элементного состава. Последние являются, очевидно, продуктами износа на различных стадиях образования и разрушения.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №2 1419-01033 (исследование материалов) и за счет гранта
Президента Российской Федерации для поддержки ведущих научных школ НШ-9899.2016.8 (изготовление материалов и их подготовка для исследований).
Авторы выражают благодарность Б.Я. Сачеку и А.М. Мезрину (ИПМех РАН) за проведение триболо-гических испытаний.
Литература
1. Арзамасов Б.Н., Соловьева Т.В., Герасимов С.А. и др. Справочник
по конструкционным материалам / Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. -640 с.
2. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. - М.: Интермет Инжиниринг, 2005. - 336 с.
3. Котова Е.Г., Курбаткин И.И., Миронов А.Е., Гершман И.С. Иссле-
дование микроструктуры и механических свойств экспериментальных антифрикционных сплавов (для монометаллических подшипников скольжения) // Цветные металлы. - 2013. - № 5. - C. 6672.
4. Буше Н.А. Подшипники из алюминиевых сплавов. - М.: Транспорт,
1974. - 225 с.
5. Ellwood E.C. Aluminium-tin bearing alloys: A new bounding method // Tin and Its Uses. - 1956. - V. 36. - P. 9-10.
6. ГОСТ 14113-78. Сплавы алюминиевые антифрикционные. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1999.
7. Hunsicker H.I., Kemps Z.W. Aluminium alloys for high duty engine bearings // Diesel Power Diesel Transportation. - 1946. - V. 24. -No. 7. - P. 856-863.
8. Буше Н.А., Миронов А.Е., Маркова Т.Ф. Новый алюминиевый сплав, заменяющий традиционные материалы // Железные дороги мира. - 2003. - № 11. - С. 44-47.
9. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. - М.: Изд. дом МИСиС, 2010. - 510 с.
10. Золторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. - М.: Изд. дом МИСиС, 2005. - 375 с.
11. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1979. - 483 с.
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. - № 4. - С. 1-9.
13. Kaufman J.G. Aluminum Alloy Castings: Properties, Processes, and Applications / Ed. by J.G. Kaufman, E.L. Rooy. - Materials Park: ASM International, 2004. - 340 p.
14. Yuan G.C., Li Z.J., Lou Y.X., ZhangX.M. Study on crystallization and microstructure for new series of Al-Sn-Si alloys // Mater. Sci. Eng. A. - 2000. - V. 280. - P. 108-115.
15. 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. - C. 137146.
Поступила в редакцию 06.04.2016 г., после переработки 06.07.2016 г.
Сведения об авторах
Столярова Ольга Олеговна, мнс ИПМех РАН, асп. НИТУ «МИСиС», [email protected] Муравьева Тамара Ивановна, вед. инж. ИПМех РАН, [email protected]
Загорский Дмитрий Львович, к.ф.-м.н., доц., внс ИПМех РАН, внс ИК РАН, доц. РГУ нефти и газа, [email protected] Белов Николай Александрович, д.т.н., проф. НИТУ «МИСиС», [email protected]
