Актуальность темы исследования
Анализ, выполненный Международными комитетами по трибологии показал, что потери ресурса оборудования, транспортных средств, во многом определяются трением и износом соответствующих узлов, механизмов, машин. Большой процент аварийных ремонтов тепловозов на всех железных дорогах России, например, обусловлен именно низкой долговечностью подшипников скольжения.
Широко распространенный антифрикционный сплав для подшипников скольжения - оловянная бронза. Несмотря на хорошие трибологические свойства, она имеет ряд недостатков (низкая пластичность, усталостная прочность, склонность к ликвации при литье) и уже не может в полной мере соответствовать растущим требованиям к узлам трения (скорость, нагрузка, КПД, износ и т.д.). Основная причина выше обозначенных недостатков - наличие хрупких интерметаллидов Си318и8 в бронзе БрО10, отрицательно влияющих на механические и технологические свойства. Улучшение морфологии твердых включений в антифрикционных сплавах должно способствовать повышению пластичности, усталостной прочности сплава с сохранением высокого уровня служебных свойств.
В связи с этим создание композитных бронз, армированных стальными дендритами, которые заменяют хрупкие интерметаллиды в качестве опорной поверхности, представляет собой актуальную задачу.
Степень разработанности темы
В последнее время проводится активная работа по изысканию сплавов и покрытий, обладающих улучшенными механическими, технологическими и трибологическими свойствами. Об этом говорит широкий «ассортимент» новых антифрикционных сплавов и покрытий, подтвержденных патентами. Разработка, исследование и изготовление антифрикционных сплавов является весьма трудоемкой задачей. Большинство современных антифрикционных материалов получают методами порошковой металлургии и плазменным напылением - это порошковые сплавы на основе меди, железа, алюминия. Изменение свойств таких материалов достигается различными технологическими параметрами процесса изготовления. Порошковые, пористые материалы, как антифрикционные покрытия , обладают хорошими трибологическими свойствами, однако имеют своеобразные, зачастую неудовлетворительные механические свойства в отличии от литых (монолитных).
Литые медно-железные сплавы, армированные железными дендритами, известны и используются как кондуктивные сплавы. В данном случае железо формирует дендриты, упрочняющие эти сплавы, что придает им повышенную прочность и уменьшает смятие электродов, например, при точечной сварке, повышает долговечность токопроводящих контактов. Что касается литых антифрикционных бронз, армированных стальными дендритами с целью придания им особо высоких трибологических свойств, то информации о таких разработках в открытом доступе не существует, что подтвердил анализ, проведенный патентным отделом УГЛТУ.
Целью работы является создание композитных бронз на Си-Бе-№ основе, армированной стальными дендритами из сталей разных классов, обладающих повышенными механическими, технологическими и трибологическими свойствами.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовать возможности улучшения морфологии интерметаллидов Си зАт в бронзе БрО10 путем легирования её N1, Со для повышения технологических свойств;
2. Определить концентрацию легирующих элементов: Бе, N1, А1, Сг и др., обеспечивающих формирование дендритов из сталей разных классов (мартенситный, аустенитный), аустенитных нержавеющих;
3. Оценить влияние термической обработки, степени легирования N1, Со, Сг на структуру композитных бронз, количество дендритов, массоперенос матрица - дендрит, интенсивность упрочнения дендритов при старении;
4. Установить влияние скорости охлаждения при кристаллизации композитных бронз (литье, переплав, наплавка, вакуумное литье) на дисперсность дендритной составляющей;
5. Определить уровень механических, технологических и трибологических свойств перспективных составов композитных бронз в зависимости от условий их производства и обработки.
Научная новизна работы:
1. Разработаны бронзы, армированные дендритами, близкими по химическому составу к мартенсинтно-стареющим (Н23Ю1), аустенитным (Н29Х9Ю1) и аустенитным нержавеющим (Х17Н17С3) сталям, представляющие собой композитные бронзы антифрикционного назначения;
2. Установлена роль диспергирования структуры экспериментальных композитных бронз (вакуумным литьем, переплавом) в формировании механических и трибологических свойств;
3. Показана целесообразность армирования композитных бронз дендритами, имеющими химический состав схожий с составом аустенитных нержавеющих сталей, для обеспечения наиболее высокой износостойкости.
Теоретическая и практическая значимость работы
Впервые обосновано легирование антифрикционных бронз, обеспечивающее формирование дендритов из мартенситно-стареющих и аустенитных нержавеющих сталей, обладающих повышенными трибологическими свойствами.
По комплексу механических, технологических и служебных свойств композитные бронзы БрЖНА 12-7-1 (дендриты - Н23Ю1) и БрЖНХК 12-7-5-1 (дендриты - Х17Н17С3) превосходят по своим свойствам «классическую» антифрикционную бронзу БрО10.
Особенно эффективно применение композитных бронз для наплавки, напыления, при которых формируется ультрадисперсная объемная сетка дендритов, обеспечивающая в 5-10 раз более высокую износостойкость, чем у бронзы БрО10.
Экспериментально подтверждена высокая эффективность нового подхода к формированию износостойкой опорной поверхности при трении - твердые оксидные пленки, не склонные к адгезионному взаимодействию с соответствующими контртелами.
Методология и методы исследования
Работа выполнена на современном оборудовании. Для оценки микроструктуры использовались микроскопы ПОЛАМ Р-312, Neophot 32, Cari Zeiss AxioObserver A1m, растровые электронные микроскопы Cari Zeiss EVO50 (при увеличениях до 10000 крат), Jeol LSM 6490-LV. Механические свойства определены на измерительном комплексе Instron 3382, микротвердомерах ПМТ -3М и 402MVD. Для определения массопереноса использованы растровые электронные микроскопы с приставками для микроанализа: Oxford Inca Dry Coll (разрешение 133 эВ, с площади диаметром < 3 мкм), EDS X-Act (Oxford Instruments. Si-drift детектор 10 мм2, анализ элементов B - U, разрешение по Mn Ka = 133 эВ). Для подготовки объектов исследования использовали вакуумное литье, наплавку, вакуумное травление, разнообразные виды термической обработки в печах SNOL 8,2/1100; SNOL 7,2/1300.
Положения, выносимые на защиту:
1. Новые композитные антифрикционные бронзы, в которых опорная поверхность при трении скольжении (правило Шарпи) заменена стальными дендритами из мартенситно-стареющих, аустенитных и аустенитных нержавеющих сталей, армирующих Cu-матрицу, что принципиально улучшает комплекс служебных, механических и технологических свойств.
2. Закономерности формирования структуры, трибологических и механических свойств композитных бронз в зависимости от их базового (Fe, Ni) и дополнительного (Al, Co, Cr, Si) легирования; режимов термической обработки и способов производства.
3. Роль диспергирования структуры экспериментальных композитных бронз (вакуумным литьем, наплавкой) в формировании механических, технологических и служебных свойств.
4. Высокие трибологические свойства бронз с аустенитными нержавеющими дендритами обеспечиваются самовосстанавливающимися нано-пленками твердых окислов типа (Fe,Cr)3O2, не склонных к адгезионному взаимодействию в условиях трения со смазкой.
Степень достоверности результатов подтверждается использованием современных и стандартизованных методов исследования, аттестованных приборов и аппаратуры, воспроизводимостью результатов и их проверкой независимыми исследованиями в лабораториях: УрФУ, Новосибирского государственного технического университета, ЦЗЛ Уралмашзавода.
Апробация результатов работы
Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Нижний Новгород, 2008); Seminario de Jóvenes Cientificos Rusos “La Iingeneria y Tecnologicas Rusas: Perspectivas de Desarrollo” (Santiago, Chile, 2010); CIM 2011 - VI Congreso Internacional del Materiales (Bogotá, Colombia, 2011); НТК «Наука - образование - производство: Опыт и перспектива развития» (г. Нижний Тагил, 2011); Х Всероссийская НТК «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, 2012); IX международная НТК «Лесные технопарки - дорожная карта инновационного лесного комплекса: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (г. Екатеринбург, 2013); X International scientific and practical conference «Modern european» (Sheffield, UK, 2014); форум «Сварка и диагностика» (г. Екатеринбург, 2016); XXIV International scientific conference Trans & Motauto 16 (Varna, Bulgaria, 2016); LIX Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (г. Тольятти, 2017); VII International conference on science and technology of composite materials (COMAT 2018) (Bahia Blanca, Argentina, 2018); XXIV Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Магнитогорск, 2018); 17 th LACCEI International Multi-Conference for Engineering, Education, and Technology, LACCEI 2019, Montego Bay-Jamaica, 2019.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 научных трудов, в том числе 8 статей в рецензируемых научных журналах из списка ВАК РФ, из которых 5 проиндексированы в базе Scopus и Web of Science, и 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 131 источника. Работа изложена на 157 страницах, содержит 62 рисунка, 41 таблицу и 2 приложения.
Личный вклад автора заключается в изготовлении экспериментальных антифрикционных бронз как объектов исследования, планировании и проведении исследований всего спектра необходимых свойств в кооперации с коллегами других НИИ и предприятий, непосредственном участии автора в обработке, анализе полученных результатов, формулировании итогов и выводов по работе.
Изучение возможностей улучшения морфологии частиц интерметаллидной фазы Си313п8 в классической бронзе БрО10 путем легирования ее N1, Со не привело к позитивным результатам. При этом на базе известных и полученных нами данных сформировалось представление о том, что в качестве опорной поверхности при трении-скольжении хрупкие интерметаллиды можно и следует заменить на стальные дендриты, свойствами которых можно управлять в широких пределах.
1. Разработан базовый вариант композитной бронзы БрЖН 12 -7, в котором матрица представляет собой бронзу БрЖН 5-4, а дендрит - сталь мартенситного класса Н23. Дополнительное легирование базового варианта бронзы алюминием 1% переводит дендрит в мартенситно-стареющую сталь Н23Ю1. При увеличении содержания в бронзе никеля до 9% и хрома до 3% дендриты представляют собой сталь аустенитного класса Н26Х9Ю, а матрица бронзу БрНЖХА 3-2-1-1.
2. Исследовано влияние Бе (9-28%), N1 (4-9%), Со (до 2%) на количество дендритной фазы (16-43%), на интенсивность упрочнения при старении дендритов. При наличии Со твердость дендритов после старения достигает 511 НУ, что выше твердости интерметаллида С'изАш на 110 ед. НУ (БрО10). Дендриты состоят из стальных фрагментов, разделенных оболочкой матричного состава или пластинами й = 0,05 мкм, которые после термической обработки глобулизуются (б = 0,3 мкм). Количество матричной фазы в дендритах может достигать 16%.
3. Установлено, что наилучшим сочетанием прочностных и пластических свойств обладает бронза БрЖНА 12-7-1 в отливке (00,2 = 170 МПа, ОБ = 364 МПа, у = 43%, 5 = 38%), важно, что для получения этих свойств не требуется термическая обработка. При повышении скорости кристаллизации (переплав, наплавка, вакуумное литье) показатели прочности (00,2 = 220 МПа, ОВ 295 МПа, у = 39%, 5 = 16%) у всех исследованных нами бронз выше на 30-50% по сравнению с БрО10, при высокой пластичности.
4. Определен состав бронзы (БрЖНХК 12-7-5-1), дендриты в которой представляют собой аустенитную нержавеющую сталь Х17Н17С3. Эта бронза обладает наилучшими, среди исследованных, трибологическими свойствами. Композитная бронза БрЖНХК 12-7-5-1 имеет износостойкость в отливке 0,006 мкм/км, а бронза БрО10 (прототип) - 0,025 мкм/км. Б данном случае в качестве опорной поверхности работает не собственно нержавеющая сталь дендрита, а самовосстанавливающиеся нанопленки окислов типа (Бе,Сг)зО2, «покрывающие» эту сталь, не склонные к адгезионному взаимодействию в условиях трения со смазкой с контртелом (сталь ШХ15, НКс 45).
5. При наплавке бронзы БрЖНА 12-7-1 на сталь 20 формируются переходные зоны, обеспечивающие качественное адгезионно взаимодействие наплавленного слоя с основой. А заданный химический состав формируется уже на поверхности первого слоя наплавки. При наплавке на чугун СЧ-28 бронзы БрЖНА 12-7-1 «отбела» в зонах термического влияния не происходит - результат графитизирующего влияния N1, Си, А1. Это предопределяет повышенную технологичность применения этой бронзы при наплавке.
6. Интенсивность изнашивания композитных бронз в наплавленном состоянии в 5-10 раз ниже, чем у соответствующих отливок.
Коэффициент трения композитных бронз в общем случае не коррелирует с их износостойкостью (основная служебная характеристика антифрикционных сплавов).
Бронза, содержащая Fe (11-13%), Ni (6,5-7,5%), Cr (4,0-4,6%), Si (0,5-1,0%), армированная аустенитными нержавеющими дендритами, является наилучшей, среди исследованных композитных антифрикционных бронз, по комплексу технологических и трибологических свойств.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
