CC BY
6Научная статья УДК 621.893
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.1.005
ПОЛУЧЕНИЕ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АНТИФРИКЦИОННОГО СПЛАВА A020-1, УПРОЧНЕННОГО КЕРАМИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ МИКРОННОГО И СУБМИКРОННОГО РАЗМЕРОВ
Роман Сергеевич Михеевш, Игорь Евгеньевич Калашников2, Павел Андреевич Быков3, Любовь Ивановна Кобелева4, Алексей Георгиевич Колмаков5
1 Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия 2, з, 4,5Институт металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова Российской академии наук, Москва, Россия
Автор, ответственный за переписку: Роман Сергеевич Михеев, mikheev.roman@mail.ru Аннотация
Представлена технология получения наплавочных материалов для последующего формирования функциональных композиционных слоев на стальных основаниях узлов трения. Композиционные наплавочные прутки получали методом экструзии порошкового компакта из гранул матричного антифрикционного сплава A020-1 и керамических порошков микронного (SiC) и субмикронного (TiC) размеров. Приведены режимы получения гранул матричного сплава, композиционных смесей и экструзии. Ключевые слова:
наплавочные материалы, антифрикционный сплав, гранулы, керамические порошки, функциональные композиционные слои, экструзия Благодарности:
исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00366, https://rscf.ru/project/22-29-00366/.
Original article
PRODUCTION OF SURFACING MATERIALS BASED ON ANTIFRICTION ALLOY AO20-1, HARDENED WITH CERAMIC PARTICLES OF MICRON AND SUBMICRON SIZES
Roman S. Mikheev1, Igor E. Kalashnikov2, Pavel A. Bykov3, Lyubov I. Kobeleva4, Alexey G. Kolmakov5
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
2,3,4,5A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia Corresponding author: Roman S. Mikheev, mikheev.roman@mail.ru
Abstract
The technology of obtaining surfacing materials for the subsequent formation of functional composite layers on steel bases of friction units is presented. Composite surfacing rods were obtained by extrusion of a powder compact from granules of matrix antifriction alloy A020-1 and ceramic powders of micron (SiC) and submicron (TiC) sizes. The modes of obtaining matrix alloy granules, composite mixtures and extrusion are given. Keywords:
surfacing materials, antifriction alloy, granules, ceramic powders, functional composite layers, extrusion Acknowledgments:
the research was supported by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 22-29-00366), https://rscf.ru/project/22-29-00366/.
Разнообразие подшипников скольжения обеспечивается за счет их конструктивных особенностей. Однако другим перспективным решением для расширения номенклатуры и областей применения подшипников скольжения является применение для их изготовления современных материалов, способных адаптироваться к изменяющимся условиям и позволяющим, минимизировать последствия изнашивания, а также гарантировать сохранение работоспособности трибоузла до проведения планового ремонта. Основой для разработки подобных материалов являются композиции, состоящие из антифрикционного рабочего слоя, сформированного, как правило, на стальном основании. Развитие данного направления может быть обеспечено созданием новых функционально-организованных композиционных материалов.
Среди современных технологий нанесения антифрикционных слоев все большее распространение находят методы наплавки, позволяющие решить проблему ликвации упрочняющей фазы, снизить припуск под механическую обработку и повысить адгезионную прочность антифрикционного слоя [1, 2]. Кроме того, высокие, по сравнению с литейными методами, скорости охлаждения позволяют получить дисперсную структуру, что способствует повышению усталостной прочности и, как следствие, увеличению износостойкости.
Дополнительным фактором, влияющим на увеличение износостойкости, является введение в рабочий антифрикционный слой микронных, выполняющих роль опор между поверхностями трения, и субмикронных, увеличивающих зарождение и ограничивающих рост зерен матричного сплава, дискретных частиц [3-6].
Наплавка предусматривает нанесение расплавленного металла на минимально оплавленную металлическую поверхность с последующей его кристаллизацией для создания слоя с заданными свойствами и размерами. Для наплавки применяют специальные присадочные материалы в виде проволок, прутков и лент [7, 8].
Цель работы — выбор и опробование технологии для изготовления присадочных композиционных материалов из антифрикционного сплава A020-1, упрочненного керамическими частицами микронного и субмикронного размеров, позволяющих получать функционально-организованные композиционные материалы процессами дуговой наплавки [9].
Присадочные композиционные материалы в виде наплавочных прутков изготавливали методом экструзии заготовок из смеси композиционного состава. Смесь получали добавлением к матричному порошку антифрикционного промышленного сплава A020-1 (20 % Sn, 1 % Cu, остальное — алюминий, ГОСТ 14113-78) частиц карбида кремния (SiC) со средним размером 40 мкм (ГОСТ 26327-84), а также керамических порошков титана (TiC) производства ООО «Метсинтез» со средним размером 0,7 мкм и удельной поверхностью 1,8 м2 / г.
Матричный порошок фракцией 300-400 мкм изготавливали обработкой стружки литой заготовки из сплава АО20-1 в планетарной мельнице RETSCH-PM100 при скорости вращения 300 об / мин в течение 2 ч.
Для обеспечения равномерности распределения армирующих и модифицирующих частиц в матричном порошке предварительно подготовленные композиционные порошковые навески из них и сплава АО20-1 общей массой 80 г подвергали обработке в планетарной мельнице Retsch PM100. Перемешивание осуществляли в защитной среде газа Ar.
Внешний вид и составы исходного матричного сплава, смеси из армирующих и модифицирующих порошков представлены на рис. 1 и в таблице.
Составы и режимы получения порошка баббита и композиционных смесей
Состав Тип и размер исходных компонентов Режим обработки
Промышленный сплав A020-1 Стружка литой заготовки Скорость вращения 300 об / мин; длительность обработки 120 мин
A020-1 + 10 мас. % SiC + 1 мас. % TiC A020-1: 300-400 мкм, SiC — 40 мкм, TiC — 0,7 мкм Скорость вращения 200 об / мин; длительность обработки 20 мин
Структуру образцов исследовали на электронных микроскопах Crossbeam 1540 EsB, LEO 430i, Carl Zeiss 1540 EsB Gemini и оптическом микроскопе Leica DM ILM. Так, микроструктура промышленного антифрикционного сплава A020-1 представляет собой включения олова, равномерно расположенные между зернами матричной основы (алюминия) (рис. 1, а), поэтому по содержанию основных компонентов данный сплав условно можно считать двухкомпонентным. Такой состав сплава с сильно отличающимися температурами плавления (Tm. Al — 660 °С; Тпл. Sn — 232 °С) и не взаимодействующими между собой компонентами сложно экструдировать на длинномерный пруток. При выборе температуры экструзии, не превышающей температуру плавления алюминия, наблюдался сначала выход из фильеры уже жидкого
© Михеев Р. С., Калашников И. Е., Быков П. А., Кобелева Л. И., Колмаков А. Г., 2022 34
олова. При повышении нагрева сплава выше температуры плавления алюминия, троекратная разница в удельной массе (плотности) алюминия и олова (2,3 и 7,3 г / см3 соответственно) из-за возникающей седиментации компонентов в расплавленном состоянии также прогнозировала невозможность получения равномерного распределения компонентов сплава по длине прутка.
Рис. 1. Структура сплава A020-1 в литом состоянии (а), гранулы, полученные после обработки в планетарной мельнице размером 300-400 мкм (б), армирующие и модифицирующие порошки SiC (в) и TiC (г)
Структуру образцов исследовали на электронных микроскопах Crossbeam 1540 EsB, LEO 430i, Carl Zeiss 1540 EsB Gemini и оптическом микроскопе Leica DM ILM. Так, микроструктура промышленного антифрикционного сплава А020-1 представляет собой включения олова, равномерно расположенные между зернами матричной основы (алюминия) (рис. 1, а), поэтому по содержанию основных компонентов данный сплав условно можно считать двухкомпонентным. Такой состав сплава с сильно отличающимися температурами плавления (Гил. Al — 660 °С; Тпл. Sn — 232 °С) и не взаимодействующими между собой компонентами сложно экструдировать на длинномерный пруток. При выборе температуры экструзии, не превышающей температуру плавления алюминия, наблюдался сначала выход из фильеры уже жидкого олова. При повышении нагрева сплава выше температуры плавления алюминия, троекратная разница в удельной массе (плотности) алюминия и олова (2,3 и 7,3 г / см3 соответственно) из-за возникающей седиментации компонентов в расплавленном состоянии также прогнозировала невозможность получения равномерного распределения компонентов сплава по длине прутка.
Решить указанные проблемы удалось добавлением равномерно распределенных в порошковом компакте из гранул (рис. 1, б) армирующих частиц карбида кремния микронного размера (рис. 1, в) и субмикронного карбида титана (рис. 1, г). Это, в том числе из-за исключительно большой удельной поверхности субмикронных частиц, значительно повысило однородность расплава по взаимному распределению алюминия и олова, предотвратило седиментацию, уменьшило жидкотекучесть расплава при экструзии. Навески из полученной методом механического легирования смеси порошков массой 60 г 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 680 ± 10 С и выдерживали в течение 15 мин, а затем при этой же температуре компакт из композиционной смеси экструдировали на механическом прессе OMA (Pmax — 15 т) при усилии 320 ± 5 МПа. Принципиальная схема процесса экструзии и используемое оборудование представлены на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема получения композиционных прутков методом экструзии (а) и внешний вид оборудования, пресс-формы и фильер (б)
Использовали сменные фильеры двух диаметров: 3 и 6 мм. Применение сменных фильер позволило изготовить композиционные прутки диаметром 3 мм для дальнейшего использования в качестве расходуемых электродов в процессе наплавки и диаметром 6 мм — для запланированных исследований структуры и трибологических свойств полученного материала (рис. 3).
Рис 3. Внешний вид (а) и электронные микрофотографии торцевого среза экструдированных наплавочных прутков для нанесения покрытий состава А020-1 + 10 мас. % SiС + 1 мас. % TiC (б, в)
Заключение
Показана принципиальная возможность получения наплавочных композиционных прутков на основе антифрикционного сплава A020-1 методом экструзии. Прутки характеризуются гладкой бездефектной поверхностью, равномерностью распределения армирующих наполнителей и модифицирующих добавок. Полученный наплавочный материал предназначен для формирования антифрикционного рабочего слоя, сформированного на стальном основании новых функционально-организованных композиционных материалов.
Список источников
1. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Kobeleva L. I. Influence of the intermediate layer forming method on the structure and properties of steel-aluminium system layered compositions // Bulletin PNRPU. Mechanical Engineering, Materials Science. 2021. Vol. 23, no. 3. Р. 20-26. DOI: 10.15593/2224-9877/2021.3.02
2. Wei M., Sun K., Zhang X., Zhang C., Chen Z., Zhou J. Microstructure and bonding strength of tin-based Babbitt alloy on ASTM 1045 steel by MIG arc brazing // Journal of Adhesion Science and Technology. 2018. Vol. 32, № 19. Р. 2150-2161.
3. Deepakaravind V., Gopal P. Evaluating the Hardness and Microstructural Analysis of Reinforcing the Nano Silicon Carbide and Nano Zirconium Oxide in Hybrid Al6061 Metal Matrix Composite. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2021. P. 231-239.
4. Калашников И. Е., Болотова Л. К., Чернышова Т. А. Структура литых алюмоматричных композиционных материалов, армированных интерметаллидными фазами и наноразмерными тугоплавкими порошками // Цветные металлы. 2010. № 9. С. 67-71.
5. Arunkumar S., Subramani Sundaram M., Suketh kanna K. M., Vigneshwara S. A review on aluminium matrix composite with various reinforcement particles and their behavior // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 33, № 1. P. 484-490.
6. Чернышова Т. А., Калашников И. Е., Болотова Л. К. Трибологические свойства литых алюмоматричных композитов, модифицированных нанопорошками // Металлургия машиностроения. 2010. № 2. С. 17-22.
7. Михеев Р. С., Коберник Н. В., Калашников И. Е., Болотова Л. К., Быков П. А., Кобелева Л. И., Колмаков А. Г. Применение наплавочных прутков из композиционных материалов на основе баббита Б83 для получения антифрикционных покрытий методом дуговой наплавки // Перспективные материалы. 2017. № 2. С. 51-58.
8. Потапов Н. Н., Карасев М. В., Сурин С. Ю., Аввакумов Ю. В., Калинин М. М. Некоторые особенности производства и применения порошковых проволок различного типа для сварки // Сварка и диагностика. 2016. № 5. С. 45-49.
9. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Bykov P. A. Investigation of the Diffusion Zone Formation Mechanisms during the Production of Functional Steel-Aluminium Compositions by Arc Processes // Materials Science Forum. Vol. 1052. P. 14-20. DOI: https://doi.org/10.4028/p-1k2d4m
References
1. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Kobeleva L. I. Influence of the intermediate layer forming method on the structure and properties of steel-aluminium system layered compositions. Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science, 2021, vol. 23, no. 3, pp. 20-26. (In Russ.). DOI: 10.15593/2224-9877/2021.3.02
2. Wei M., Sun K., Zhang X., Zhang C., Chen Z., Zhou J. Microstructure and bonding strength of tin-based Babbitt alloy on ASTM 1045 steel by MIG arc brazing. Journal of Adhesion Science and Technology, 2018, vol. 32, no. 19, pp. 2150-2161.
3. Deepakaravind V., Gopal P. Evaluating the Hardness and Microstructural Analysis of Reinforcing the Nano Silicon Carbide and Nano Zirconium Oxide in Hybrid Al6061 Metal Matrix Composite. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2021, pp. 231-239.
4. Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Chernyshova T. A. Struktura lityh alyumomatrichnyh kompozicionnyh materialov, armirovannyh intermetallidnymi fazami i nanorazmernymi tugoplavkimi poroshkami [Structure of cast alumina matrix composites reinforced with intermetallic phases and nanosized refractory powders]. Tsvetnye metally [Nonferrous Metals], 2010, no. 9, pp. 67-71. (In Russ.).
5. Arunkumar S., Subramani Sundaram M., Suketh kanna K. M., Vigneshwara S. A review on aluminium matrix composite with various reinforcement particles and their behavior. Materials Today: Proceedings, 2020, vol. 33, no. 1, pp. 484-490.
6. Chernyshova T. A., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K. Tribologicheskie svojstva lityh alyumomatrichnyh kompozitov, modificirovannyh nanoporoshkami [Tribological properties of nanopowder-modified cast alumina matrix composites]. Metallurgiya mashinostroeniya [Metallurgy of Mechanical Engineering], 2010, no. 2, pp. 17-22. (In Russ.).
7. Miheev R. S., Kobernik N. V., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Bykov P. A., Kobeleva L. I., Kolmakov A. G. Primenenie naplavochnyh prutkov iz kompozicionnyh materialov na osnove babbita B83 dlya polucheniya antifrikcionnyh pokrytij metodom dugovoj naplavki [Application of cladding rods from composite materials on the basis of babbitt B83 for obtaining antifriction coatings by arc cladding]. Perspektivnye materialy [Promising Materials], 2017, no. 2, pp. 51-58. (In Russ.).
8. Potapov N. N., Karasev M. V., Surin S. Yu., Avvakumov Yu. V., Kalinin M. M. Nekotorye osobennosti proizvodstva i primeneniya poroshkovyh provolok razlichnogo tipa dlya svarki [Some peculiarities of production and application of different types of flux-cored wires for welding]. Svarka i diagnostika [Welding and Diagnostics], 2016, no. 5, pp. 45-49. (In Russ.).
9. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Bykov P. A. Investigation of the Diffusion Zone Formation Mechanisms during the Production of Functional Steel-Aluminium Compositions by Arc Processes. Materials Science Forum, vol. 1052, pp. 14-20. DOI: https://doi.org/10.4028/p-1k2d4m
Информация об авторах
Р. С. Михеев — доктор технических наук;
И. Е. Калашников — доктор технических наук, kalash2605@mail.ru;
Павел Андреевич Быков — научный сотрудник, pavel_imet@mail.ru;
Любовь Ивановна Кобелева — кандидат технических наук, likob@mail.ru;
Алексей Георгиевич Колмаков — член-корреспондент РАН, kolmakov@imet.ac.ru.
Information about the authors
R. S. Mikheev — Dr. Sc. (Engineering);
I. E. Kalashnikov — Dr. Sc. (Engineering), kalash2605@mail.ru;
P. A. Bykov — Researcher, pavel_imet@mail.ru;
L. I. Kobeleva — PhD (Engineering), likob@mail.ru;
A. G. Kolmakov — Corresponding Member of RAS, kolmakov@imet.ac.ru.
Статья поступила в редакцию 14.02.2022; одобрена после рецензирования 04.04.2022; принята к публикации 08.04.2022.
The article was submitted 14.02.2022; approved after reviewing 04.04.2022; accepted for publication 08.04.2022.
© Михеев Р. С., Калашников И. Е., Быков П. А., Кобелева Л. И., Колмаков А. Г., 2022 38
