CC BY
1
УДК 621.762.4 DOI 10.25960/mo.2020.5-6.46
Трибологические свойства порошковой крупнозернистой и наноструктурной меди
Л. А. Рябичева1, Ю. Н. Никитин1, Н. В. Пономарева2
1 Луганский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, Украина
2 ООО «Лугамаш», Луганск, Украина
Представлены технологии получения порошковых медных материалов с повышенной износостойкостью за счет управления структурой при пластической деформации. Крупнозернистую медь получали штамповкой пуансоном, не заходящим в полость матрицы. Наноструктурная медь получена равноканальным угловым прессованием за три прохода. Изучены микроструктура, плотность, микротвердость и антифрикционные свойства. Крупнозернистая медь имеет размер зерна 9700-12 000 нм, плотность 8,19 г/см3, микротвердость 0,79 ГПа. Наноструктурная медь имеет размер зерна 80 нм, плотность 8,89 г/см3, микротвердость 1,13 ГПа. Для порошковой крупнозернистой меди коэффициент трения составил 0,92, износ — 350 • 10-4 г/см3. Порошковая наноструктурная медь имеет низкий коэффициент трения, равный 0,42, и износ 125 • 10-4 г/см3, что позволяет применять ее как антифрикционный материал в узлах трения. Использован метод молекулярной динамики для объяснения роста антифрикционных свойств у наноструктурной меди.
Ключевые слова: порошковая медь, штамповка, равноканальное угловое прессование, микроструктура, наноструктура, плотность, микротвердость, коэффициент трения, износ, метод молекулярной динамики.
Введение
Антифрикционные порошковые материалы на основе меди наряду с литыми сплавами применяются для изготовления подшипников скольжения, уплотнений, подпятников в узлах трения машин и механизмов. По физико-механическим свойствам такие материалы из-за наличия пор несколько уступают литым. Однако по триботехническим характеристикам порошковые материалы превосходят литые [1, 2]. Они характеризуются низким коэффициентом трения, хорошей износостойкостью, способностью легко прирабатываться к валу, выдерживать значительные нагрузки [3] и обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными антифрикционными материалами [4]. Их износостойкость в несколько раз выше, чем у бронз и баббитов [5]. Они работают при более высоких скоростях
и давлениях. Наличие в структуре пористости, регулируемой в широких пределах (до 35 %), позволяет предварительно пропитывать их смазочными маслами.
В связи с потребностями производства возникает возможность использования в качестве антифрикционных наноструктурированные материалы, содержащие элементы наноструктуры. Задача повышения свойств может быть решена за счет объединения медной пластичной матрицы и высокопрочных наночастиц. При таком сочетании фаз достигаются значительное повышение несущей способности материалов в трибосопряжениях, высокая износостойкость и стойкость против абразивного изнашивания. Очевидно, представляет интерес в качестве антифрикционного материала применять наноструктурную медь.
Цель работы — разработка технологии получения порошковых медных материалов
E ТАЛ Л О ОБРА Б0 T Ki
с повышенной износостойкостью за счет управления структурой при пластической деформации.
Основная часть
Для создания антифрикционного материала использовали медный порошок ПМС-1 ГОСТ 4960-75. Образцы получали по двум схемам деформирования: штамповкой пористой заготовки пуансоном, не заходящим в полость матрицы [6], и равноканальным угловым прессованием пористой заготовки (РКУП) за три прохода [7].
Цилиндрические образцы для штамповки получали односторонним прессованием на гидравлическом прессе ПД-476 усилием 1600 кН. Смазочный материал — стеарино-вокислый цинк, разбавленный ацетоном. Образцы из медных порошков имели пористость
20 %. Спекание выполняли в среде проточного генераторного газа (состав газа: 72 % Н2,
21 % СО, 5,5 % СО2, 1,5 % Н2О) по ступенчатому режиму [8]: нагрев до температур 100120, 200-220, 300-320, 400-420, 500-520 и 600-620 °С с выдержкой при каждой температуре 30 мин, подъем до температуры спекания 800 °С и выдержка 1 ч. После спекания образцы имели пористость 15 % и отношение высоты к диаметру = 0,59. Такие заготовки подвергали штамповке в закрытой матрице до плотности 8,9 г/см3.
Заготовки для РКУП призматической формы сечением 15 х 15 мм, длиной 59 мм, исходной пористостью 40 % изготавливали двусторонним прессованием на том же гидравлическом прессе. Спекание осуществляли в среде синтез-газа по тому же режиму. После спекания образцы имели пористость 42 %. РКУП осуществляли за три прохода [9].
На изготовленных образцах исследовали структуру и физико-механические свойства: плотность, микротвердость, изменение коэффициента трения от пройденного расстояния, износа от нагрузки. Структуру изучали с помощью растрового электронного микроскопа РЭММА-102. Размеры зерна оценивали рент-геноструктурным анализом на дифрактомет-ре ДРОН-2, излучение СиКа, с использованием анализа профиля дифракционной линии
и прецизионного измерения параметра кристаллической решетки по положению центра тяжести линий (111), (220) и (311).
Плотность определяли методом гидростатического взвешивания согласно ГОСТ 25281-82. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76 по диаметру образцов с интервалом от 0,5 до 1 мм измерением диагонали отпечатка при вдавливании алмазной пирамиды под действием нагрузки 20 г в полированную поверхность зерна.
Антифрикционные свойства образцов, полученных штамповкой и РКУП после каждого прохода, изучали в условиях сухого трения на трибометре СМЦ-2. Пара трения «втулка— вал» использована для моделирования работы трибосопряжений сухого трения.
Испытания на износ в условиях сухого трения выполнены на образцах размерами 9,5 х 10 х 55 мм. Диск диаметром 50 мм, изготовленный из стали 45 (ГОСТ 1050-74), имел твердость 43 НИС. Удельная нагрузка на образцы (0,1 и 2,25 МПа), скорость скольжения (0,5 и 1,1 м/с) при испытаниях соответствовали условиям работы узлов трения. До начала испытаний образец прирабатывался согласно ГОСТ 23.215-84 в течение 10 ч, в том числе 5 ч при постоянной удельной нагрузке, равной 15-20 % от номинальной. После приработки образец и контртело промывали в ацетоне (ГОСТ 2603-79) и взвешивали. Испытания проводили в течение 80 ч. Затем образец и контртело повторно промывали и взвешивали. Значения силы трения регистрировали автоматически каждую секунду с помощью встроенного микропроцессора. В случае полученных образцов методом РКУП поверхностью трения служила плоскость течения материала, а направление трения выбиралось поперек образцов. Коэффициент трения и износ определяли согласно ГОСТ 23.224-86.
Образцы, полученные штамповкой, имели крупнозернистую неоднородную структуру (рис. 1, а). Плотность образца 8,19 г/см3, размер зерна 9700-12 000 нм.
После каждого прохода РКУП на образце, вырезанном из средней зоны, наблюдается уменьшение размера зерна. Если после спекания размер зерна составлял 210-260 нм, то после первого прохода средний размер зерна составил 180-200 нм (рис. 1, б). Наблюдается
а)
б)
Рис. 1. Микроструктура образцов: а — после штамповки; б — после первого прохода РКУП; в — после второго прохода РКУП; г — после третьего прохода РКУП
Fig. 1. Microstructure of samples: a — after stamping; б — after the first pass of ECAP; в — after the second pass of ECAP; г — after the third pass of ECAP
субзеренная структура с малоугловыми границами и наличием текстуры деформации. Отсутствие видимых пор свидетельствует о том, что плотность материала высокая.
После второго прохода степень однородности зерен возрастает, а их размер монотонно уменьшается с увеличением степени накопленной деформации (рис. 1, в). Вытянутые по направлению прессования зерна приобретают более округлую форму, наблюдается полное отсутствие пор на границах зерен, плотность образца составила 8,88 г/см3. Сформировалась более однородная структура. Средний размер зерна составил 140-180 нм.
После третьего прохода получили однородную, упорядоченную, полосчатую микроструктуру, имеющую малоугловые границы, при этом зерна являются сильно упруго искаженными с явной текстурой деформации (рис. 1, г). Получен наиболее мелкий размер зерна в средней зоне — около 80 нм.
Изменение плотности образцов после деформирования показано на рис. 2. После штамповки получена практически равномерная по длине образца структура со средней
плотностью 8,81 г/см3. После РКУП плотность изменяется по длине образца неравномерно после всех трех проходов. Наибольшая плотность получена в средней зоне образца, при этом с каждым проходом растет размер очага уплотнения [10]. Поэтому для исследования антифрикционных свойств образец вырезали из средней зоны уплотнения.
Процессы деформации обеспечивают упрочнение частиц порошкового материала, что видно по изменению микротвердости (рис. 3). После штамповки микротвердость по длине образца минимальная и увеличивается к торцевой поверхности образца. После РКУП вследствие уплотнения материала и упрочнения зерен микротвердость с каждым проходом увеличивается. После первого прохода происходят уплотнение порошкового материала и незначительное упрочнение частиц порошка. Микротвердость меньше, чем после штамповки. На втором проходе плотность меди увеличивается и микротвердость растет. После третьего прохода происходит дальнейшее измельчение зерна, сопровождающееся упрочнением.
10,0
ч К
1,2
1,1
1,0
0,9
v
(4 H
о ft
к
s 0,7
0,4
Рис. 2. Изменение плотности по длине образцов:
1 — после первого прохода РКУП; 2 — после второго прохода РКУП; 3 — после третьего прохода РКУП; 4 — после штамповки
Fig. 2. Change of density on the length of samples:
1 — after the first pass of ECAP; 2 — after the second pass of ECAP; 3 — after the third pass of ECAP; 4 — after the forging
10
15 20 25
Расстояние, мм
30
10 15 20
Расстояние, мм
25
30
Рис. 3. Изменение микротвердости по длине образца:
1 — после первого прохода РКУП; 2 — после второго прохода РКУП; 3 — после третьего прохода РКУП; 4 — после штамповки
Fig. 3. Microhardness change on the length of sample:
1 — after the first pass of ECAP; 2 — after the second pass of ECAP; 3 — after the third pass of ECAP; 4 — after the forging
40
Для сплавов с улучшенными антифрикционными свойствами характерны низкий коэффициент трения, хорошая прирабатывае-мость, т. е. способность менять конфигурацию поверхности трения по отношению к поверхности контртела.
На рис. 4 показана зависимость коэффициента трения от расстояния при удельной нагрузке 2,25 МПа для образцов, полученных по двум схемам деформации и имеющих разный размер зерна. На каждой кривой наблюдаются две стадии. Вначале идет
10 15 20
Расстояние, мм
25
30
Рис. 4. Изменение коэффициента трения при различном расстоянии:
1 — после штамповки; 2 — после первого прохода РКУП; 3 — после второго прохода РКУП; 4 — после третьего прохода РКУП
Fig. 4. Coefficient of friction change at various distance:
1 — after the forging; 2 — after the first pass of ECAP; 3 — after the second pass of ECAP; 4 — after the third pass of ECAP
5
3
1
2
1
5
0
0
5
1ЕЩЛ00БРАБ0Щ
прирабатываемость поверхности образца, что соответствует повышению коэффициента трения. В связи с тем что медь имеет низкую твердость, эта стадия довольно длительная. Поскольку поверхность образцов неидеально гладкая, то в течение этой стадии они прижимаются к стальному диску, макроскопические выступы на поверхности плющатся. Деформация выступов приводит к появлению участков ювенильной поверхности, между которыми и стальным диском образуются мостики схватывания. Далее они деформируются, принимают обтекаемую форму, и наступает установившаяся стадия. При этом переход к установившейся стадии для крупнозернистого материала, полученного штамповкой, более продолжительный. При этом коэффициент трения высокий, что объясняется низкой твердостью меди и прилипанием частиц материала в процессе скольжения. Для материала, полученного РКУП, время достижения установившейся стадии больше, но коэффициент трения меньше. При этом сказывается влияние пористости. Большая пористость материала приводит к увеличению коэффициента трения и увеличению стадии прирабатыва-емости. После третьего прохода РКУП коэффициент трения для наноструктурной меди составил 0,42.
Зависимость износа от нагрузки показана на рис. 5. С повышением нагрузки износ увеличивается, но скорость износа у нано-структурной меди, полученной за три прохода РКУП, меньше, чем у крупнозернистой, полученной штамповкой. Наличие пористости увеличивает износ материала.
Наноструктура материала, полученного РКУП, обеспечивает меньший коэффициент трения и меньший износ, что связано с ростом упрочнения — повышением микротвердости по сравнению с медью, полученной штамповкой.
У наноструктурных материалов особую роль при трении играют силы, действующие в области атомного контакта между поверхностями взаимодействия [11]. Методы континуальной контактной механики, основанные на линейной теории упругости, не могут объяснить на атомном уровне взаимодействие поверхностей трения, так как предполагается, что эти поверхности гладкие и ровные; их
350 300 250
со §
^ 200 0
i 150
со
Si
100
50
0 10 20 30 40 50
Нагрузка, Н
Рис. 5. Зависимость износа от нагрузки: 1 — после штамповки; 2 — после третьего прохода РКУП Fig. 5. Dependence of wear on loading value: 1 — after the forging; 2 — after the third pass of ECAP
атомное строение не учитывается. Микроскопическая теория контактных явлений позволит объяснить различие между наноструктур-ным и крупнозернистым материалами с учетом атомного взаимодействия. Разработан метод молекулярной динамики для проверки пределов применимости макроскопического описания контактирующих поверхностей [12]. В случае наноструктурного материала шероховатость поверхности не превышает одного эффективного диаметра атома. Так, радиус атома меди составляет 0,128 нм, в 80 нм содержится до 312 атомов и на поверхность контакта может выходить до 160 атомов. Зависимости контактного радиуса от прижимающей силы качественно соответствуют численным результатам, полученным по континуальной контактной механике, а количественно расхождения составляют 100 %. Очевидно, это связано с выходом винтовых дислокаций на поверхность и образованием «ступенек», поэтому контактный радиус увеличивается с ростом приложенной силы не монотонно, а скачкообразно. Континуальный метод может давать заниженную площадь контакта, особенно при малых значениях нагрузки. Распределение давления по области контакта
E ТАЛ Л О ОБРА Б0 T Ki
очень чувствительно к структуре поверхности на атомном уровне и в ряде случаев качественно различается даже при одинаковой шероховатости.
Выводы
Разработана технология получения порошковых медных наноструктурных материалов с повышенной износостойкостью за счет управления структурой при пластической деформации. Показано, что с уменьшением диаметра зерна и увеличением накопленной деформации по переходам уменьшается коэффициент трения. Причем коэффициент трения выходит на установившуюся стадию за более длительный период, чем для крупнозернистой меди. Износ для наноструктурной меди гораздо меньше, чем для крупнозернистой. Отсюда следует, что наноструктурную медь можно применять в качестве антифрикционного материала при небольших давлениях и больших скоростях скольжения.
Литература
1. Порошковая металлургия в Беларуси. Вызовы времени: сб. науч. ст. / НАН Беларуси ГНПО порошковой металлургии; редкол.: А. Ф. Ильющенко [и др.]. Минск, Беларуская навука, 2017. 532 с.
2. Гаркунов Д. Н. Триботехника. Конструирование, изготовление, эксплуатация машин. М. : Машиностроение, 2002. 632 с.
3. Дмитриева Л. А. Оценка свойств антифрикционных материалов в подшипниках скольжения / / Инновационная наука. 2016. № 11. С. 31-33.
4. Dankly D. Towards higher performance PM. Powder Metallurgy. 2003. Vol. 46, N 2. P. 108-109.
5. Довыденкова А. В., Радомысельский И. Д. Получение и свойства конструкционных деталей из порошков меди и ее сплавов // Порошковая металлургия. 1982. № 3. С. 44-53.
6. Ryabicheva L., Usatyuk D., Nikitin Y., Beloshiskij N. The technology of production of high-density copper from porous fibrous billet. VI International Congress "Machinary, Technology, Materials", February 18-20, 2009, Sofia, Bulgaria. P. 126-130.
7. Ryabicheva L., Usatyuk D. Production of high-density copper powder material by equal-channel angular extrusion. The International Congress and Exhibition EURO PM 2010 proceedings, October 10-14, 2010, Florence, vol. 3. P. 1110-1115.
8. Пат. 11201 А Украша, МПК 7 C10J3/18, C10H1/00. Газогенератор / Циркш А. Т., Никитш Ю. М., Ковалiвський О. В., Б1лошицький М. В., Стафеев О. I. № 200505378. Заявлено 06.06.2005. Опубл. 15.12.05. Бюл. № 12. 2 с.
9. Рябичева Л. А., Смоляк В. В. Моделирование и экспериментальное исследование РКУ-прессования порошковых пористых заготовок // Обработка материалов давлением. 2011.№ 1(26). С. 41-45.
10. Рябичева Л. А., Усатюк Д. А., Дядичев А. В. Моделирование и экспериментальное исследование РКУ-прессования порошковых пористых заготовок // Machines, technologe, materials. International virtual journal. Bulgaria, Sofia, 2014. № 12. P. 31-34.
11. Stolarov V. V., Shuster L. Sh., Migranov M. Sh. Reduction of Friction Coefficient in Ultrafine-Grained CP Ti, Mater. Sci. & Eng. 2004. A 371. P. 313-317.
12. Binquan L., Robbins M. O. The breakdown of continuum models for mechanical contacts. Nature. 2005. Vol. 435. P. 929-932.
References
1. Powder metallurgy in Belarus. Challenges of time: Journal of scientific papers. NAS of Belarus, SSPC of powder metallurgy; edited by A. F. Ilyushchenko [et al.], Minsk, Belarusian science. 2017. 532 p. (In Russ.).
2. Garkunov D. N. Tribotechnics. Design, production, operation of machines. Moscow: Mashinostroenie, 2002, 632 p. (In Russ.)
3. Dmitrieva L. A. Estimation of antifriction materials properties in sliding bearings. Innovacionnaja nauka. 2016, no 11, pp. 31-33. (In Russ.)
4. Dankly D. Towards higher performance PM. Powder Metallurgy. 2003, vol. 46, no 2, pp. 108-109.
5. Dovydenkova A. V., Radomyselskiy I. D. Production and properties of structural parts made of copper powder and copper-based powder alloys. Poroshkovaja metallurgija, 1982, no 3, pp. 44-53. (In Russ.)
6. Ryabicheva L., Usatyuk D., Nikitin Y., Beloshitskij N. The technology of production of high-density copper from porous fibrous billet. VI International Congress "Machines, Technology, Materials", February 18-20, 2009, Sofia, Bulgaria, pp. 126-130.
7. Ryabicheva L., Usatyuk D. Production of high-density copper powder material by equal-channel angular extrusion. The International Congress and Exhibition EURO PM 2010 proceedings, October 10-14, 2010, Florence, vol. 3, pp. 1110-1115.
8. Tsirkin A. T., Nikitin Yu. N, Kovalivskiy O. V., Beloshitskij N. V., Stafeev O. I. Patent of Ukraine 11201 A, IPC 7 C10J3/18, C10H1/00. Gas Generator. # 200505378; Pended 06.06.2005. Publ. 15.12.05, bul. no 12, 2 p. (In Ukr.).
9. Ryabicheva L. A, Smolyak V. V. Modeling and experimental study of ECA-pressing of porous powder billets. Obrabotka materialov davleniem, 2011, no 1 (26), pp. 41-45 (In Russ.)
10. Ryabicheva L., Usatyuk D., Dyadichev A. Numerical Simulation and Experimental Investigation of Equal-Channel Angular Pressing of Porous Powder Billets. Machines, technologies, materials. International virtual journal. 2014. Bulgaria, Sofia, no 12, pp. 31-34.
11. Stolyarov V.V., Shuster L. Sh., Migranov M. Sh., Valiev R. Z., Zhu Y. T. Reduction of Friction Coefficient in Ultrafine-Grained CP Ti, Mater. Sci. & Eng. 2014. A 371, pp. 313-317.
12. Binquan L., Robbins M. O. The breakdown of continuum models for mechanical contacts. Nature, 2015, vol. 435, pp. 929-932.
Сведения об авторах
Рябичева Людмила Александровна — доктор технических наук, заведующая кафедрой материаловедения, Луганский национальный университет имени Владимира Даля, 91034, Луганск, кв. Молодежный, д. 20а, e-mail: ryabic@gmail. com
Никитин Юрий Николаевич — кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения, Луганский национальный университет имени Владимира Даля, 91034, Луганск, кв. Молодежный, д. 20а, e-mail: ynnikitin@ mail.ru
Пономарева Наталья Викторовна — начальник Центральной заводской лаборатории, ООО «Лугамаш», 91000, Луганск, ул. Фрунзе, д. 109, e-mail: ynnikitin@mail.ru
Для цитирования: Рябичева Л. А., Никитин Ю. Н., Пономарева Н. В. Трибологические свойства порошковой крупнозернистой и наноструктурной меди. Металлообработка, 2020, № 5-6, с. 46-52. DOI 10.25960/mo.2020.5-6.46
UDK 621.762.4 DOI 10.25960/mo.2020.5-6.46
Tribological properties of coarse-grained powder and nanostructured copper
Ryabicheva L. A.1, Nikitin Yu. N.1, Ponomaryova N. V.2
1 Vladimir DahL Lugansk National University, Lugansk, Ukraine
2 OOO „Lugamash", Lugansk, Ukraine
Production technologies with structure control at plastic deformation have presented in this paper for copper powder materials of enhanced wear resistance. Coarse-grained copper has obtained by forging using the punch, which does not come into a matrix cavity. Nanostructural copper has obtained by equal-channel angular pressing for three passes. The microstructure, density, microhardness and antifriction properties have studied. The coarse-grained copper grain size is 9700-12 000 nanometers, density 8,19 g/cm3 and microhardness of 0,79 GPa. The grain size of nanostructural copper is equal to 80 nanometers, density 8,89 g/cm3 and microhardness of 1.13 GPa. The friction coefficient of coarsegrained powder copper is 0,92, the wear value of350 • 10-4 g/cm3. The nanostructural powder copper has characterised with the low friction coefficient equal to 0,42 and the wear value of 125 • 10-4 g/cm3 that allows to implement it as an antifriction material for friction assemblies. Molecular dynamics method has applied to explain the growth of nanostructural copper antifriction properties.
Keywords: powder copper, forging, equal-channel angular pressing, microstructure, nanostructure, density, microhardness, friction coefficient, wear, molecular dynamics method.
Information about the authors
Lydmila A. Ryabicheva — Doctor of Engineering Science, Head of the Department of Materials Science, Vladimir Dahl Lugansk National University, 20a, quarter Molodezhny, Lugansk, Ukraine, 91034, e-mail: ryabic@gmail. com Yuri N. Nikitin — Candidate of Engeneering Sciences, Vladimir Dahl Lugansk National University, 20a, quarter Molodezhny, Lugansk, Ukraine, 91034, e-mail: ynnikitin@mail.ru
Natalya V. Ponomareva — Chief of the Central factory laboratory, OOO „Lugamash", 109, str. Frynze, Lugansk, Ukraine, 91000, e-mail: ynnikitin@mail.ru
For citation: Ryabicheva L. A., Nikitin Yu. N., Ponomaryova N. V. Tribological properties of coarse-grained powder and nanostructured copper. Metalloobrabotka, 2020, no 5-6, pp. 46-52. DOI 10.25960/mo.2020.5-6.46
