Помощь студентам в учебе
СОЗДАНИЕ НОВЫХ КОМПОЗИТНЫХ АНТИФРИКЦИОННЫХ БРОНЗ, АРМИРОВАННЫХ СТАЛЬНЫМИ ДЕНДРИТАМИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 10
1.1 Понятие и элементы теории трения 10
1.2 Требования к материалам узлов трения 12
1.3 Определение трибологических характеристик 14
1.4 Основные антифрикционные материалы 16
1.4.1 Антифрикционные сплавы на основе железа 17
1.4.2 Алюминиевые антифрикционные сплавы 18
1.4.3 Сплавы на основе цинка 19
1.4.4 Латуни 19
1.4.5 Баббиты 20
1.4.6 Алюминиевые бронзы 21
1.4.7 Оловянные бронзы 24
1.5 Сведения о патентных исследованиях перспективных
антифрикционных материалов 29
1.6 Особенности формирования структуры и свойств бронз,
содержащих Fe и Ni, Co 32
1.6.1 Двухкомпонентные системы Fe-Cu, Cu-Ni, Fe-Ni 32
1.6.2 Трехкомпонентная система Fe-Cu-Ni 36
1.7 Сварочные процессы при изготовлении и восстановлении
биметаллических подшипников скольжения 39
1.8 Выводы по первой главе 40
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 43
2.1 Методика изготовления слитков 43
2.2 Методика литья вакуумным всасыванием 45
2.3 Методика переплава, наплавки 48
2.4 Изготовление образцов исследований и испытаний 48
2.5 Методика термической обработки 49
2.6 Методы исследования 50
2.6.1 Методики микроструктурного анализа 50
2.6.2 Методы измерения твердости 50
2.6.3 Методика электронной микроскопии и локального химического
анализа 51
2.7 Методы испытаний 52
2.7.1 Методика механических испытаний 52
2.7.2 Методика триботехнических испытаний 53
2.8 Определение погрешности измерений 59
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРОНЗЫ БрО 10 В РЕЗУЛЬТАТЕ 60
ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ Ni, Co
3.1 Структура оловянной бронзы БрО10, легированной Ni и/или Co 61
3.1.1 Влияние Ni на фазообразование в бронзе БрО 10 61
3.1.2 Влияние Co на фазообразование в бронзе БрО10 63
3.1.3 Влияние комплексного легирования Ni и Co на фазообразование
в бронзе БрО10 65
3.2 Трибологические свойства исследованных в разделе
экспериментальных бронз 68
3.3 Выводы по третьей главе 70
ГЛАВА 4. Исследование структуры сплавов на медной основе, легированных Fe, Ni, Al, Co 71
4.1 Влияние Fe, Ni и Al на процессы формирования структуры в
бронзах 72
4.2 Влияние содержания Fe, Ni, Al и Co на процессы формирования
структуры в бронзах 81
4.3 Сравнение свойств экспериментальных сплавов типа БрЖНА и
БрЖНКоА 96
4.4 Формирование структуры сплавов системы Cu-Fe-Ni-Cr-(Al, Si) 102
4.5 Выводы по четвертой главе 110
ГЛАВА 5. Технологические, механические и служебные свойства исследуемых композитных бронз 112
5.1 Особенности структуры и трибологические свойства бронз
БрЖНКоА после аргоно-дугового переплава 112
5.2 Особенности структуры и трибологические свойства бронз
БрЖНА 12-7-1 и БрЖНХК 12-7-5-1, полученных вакуумным литьем и аргоно-дуговым переплавом 117
5.3 Наплавка бронзы БрЖНА 12-7-1 на оловосодержащую бронзу,
чугунную и стальную основы 122
5.3.1 Особенности структуры, формирующиеся при наплавке бронзы
БрЖНА 12-7-1 на бронзу БрЖНОА 12-7-2-1 122
5.3.2 Особенность структуры, формирующиеся при наплавке бронзы
БрЖНА 12-7-1 на серый чугун марки СЧ-28 125
5.3.3 Особенности структуры и трибологические свойства покрытия,
формирующиеся при наплавке бронзы БрЖНА 12-7-1 на сталь 128
5.4 Механические свойства исследуемых бронз 133
5.5 Выводы по пятой главе 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
ПРИЛОЖЕНИЕ А 154
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 157
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 10
1.1 Понятие и элементы теории трения 10
1.2 Требования к материалам узлов трения 12
1.3 Определение трибологических характеристик 14
1.4 Основные антифрикционные материалы 16
1.4.1 Антифрикционные сплавы на основе железа 17
1.4.2 Алюминиевые антифрикционные сплавы 18
1.4.3 Сплавы на основе цинка 19
1.4.4 Латуни 19
1.4.5 Баббиты 20
1.4.6 Алюминиевые бронзы 21
1.4.7 Оловянные бронзы 24
1.5 Сведения о патентных исследованиях перспективных
антифрикционных материалов 29
1.6 Особенности формирования структуры и свойств бронз,
содержащих Fe и Ni, Co 32
1.6.1 Двухкомпонентные системы Fe-Cu, Cu-Ni, Fe-Ni 32
1.6.2 Трехкомпонентная система Fe-Cu-Ni 36
1.7 Сварочные процессы при изготовлении и восстановлении
биметаллических подшипников скольжения 39
1.8 Выводы по первой главе 40
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 43
2.1 Методика изготовления слитков 43
2.2 Методика литья вакуумным всасыванием 45
2.3 Методика переплава, наплавки 48
2.4 Изготовление образцов исследований и испытаний 48
2.5 Методика термической обработки 49
2.6 Методы исследования 50
2.6.1 Методики микроструктурного анализа 50
2.6.2 Методы измерения твердости 50
2.6.3 Методика электронной микроскопии и локального химического
анализа 51
2.7 Методы испытаний 52
2.7.1 Методика механических испытаний 52
2.7.2 Методика триботехнических испытаний 53
2.8 Определение погрешности измерений 59
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРОНЗЫ БрО 10 В РЕЗУЛЬТАТЕ 60
ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ Ni, Co
3.1 Структура оловянной бронзы БрО10, легированной Ni и/или Co 61
3.1.1 Влияние Ni на фазообразование в бронзе БрО 10 61
3.1.2 Влияние Co на фазообразование в бронзе БрО10 63
3.1.3 Влияние комплексного легирования Ni и Co на фазообразование
в бронзе БрО10 65
3.2 Трибологические свойства исследованных в разделе
экспериментальных бронз 68
3.3 Выводы по третьей главе 70
ГЛАВА 4. Исследование структуры сплавов на медной основе, легированных Fe, Ni, Al, Co 71
4.1 Влияние Fe, Ni и Al на процессы формирования структуры в
бронзах 72
4.2 Влияние содержания Fe, Ni, Al и Co на процессы формирования
структуры в бронзах 81
4.3 Сравнение свойств экспериментальных сплавов типа БрЖНА и
БрЖНКоА 96
4.4 Формирование структуры сплавов системы Cu-Fe-Ni-Cr-(Al, Si) 102
4.5 Выводы по четвертой главе 110
ГЛАВА 5. Технологические, механические и служебные свойства исследуемых композитных бронз 112
5.1 Особенности структуры и трибологические свойства бронз
БрЖНКоА после аргоно-дугового переплава 112
5.2 Особенности структуры и трибологические свойства бронз
БрЖНА 12-7-1 и БрЖНХК 12-7-5-1, полученных вакуумным литьем и аргоно-дуговым переплавом 117
5.3 Наплавка бронзы БрЖНА 12-7-1 на оловосодержащую бронзу,
чугунную и стальную основы 122
5.3.1 Особенности структуры, формирующиеся при наплавке бронзы
БрЖНА 12-7-1 на бронзу БрЖНОА 12-7-2-1 122
5.3.2 Особенность структуры, формирующиеся при наплавке бронзы
БрЖНА 12-7-1 на серый чугун марки СЧ-28 125
5.3.3 Особенности структуры и трибологические свойства покрытия,
формирующиеся при наплавке бронзы БрЖНА 12-7-1 на сталь 128
5.4 Механические свойства исследуемых бронз 133
5.5 Выводы по пятой главе 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
ПРИЛОЖЕНИЕ А 154
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 157
Актуальность темы исследования
Анализ, выполненный Международными комитетами по трибологии, показал, 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. [1-4]
Широко распространенный антифрикционный бронза для подшипников скольжения - оловянная бронза, несмотря на хорошие трибологические, 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 вышеозначенных недостатков - это наличие хрупких интерметаллидов СшАщ в структуре бронзы 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 матириалов 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 Сн-Ее-№ 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 Снз13п8 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, степень 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 из мартенсинтно- стареющих, аустенитных и аустенитных нержавеющих сталей, представляющих 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 из 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.
Экспериментально подтверждена высокая эффективность нового подхода к формированию износостойкой опорной поверхности при трении - твердые оксидные пленки, не склонные к адгезионному взаимодействию с соответствующими контртелами.
По комплексу механических, технологических и служебных свойств композитные бронзы БрЖНА 12-7-1 (дендриты - мартенситно-стареющая сталь) и БрЖНХК 12-7-5-1 (дендриты - аустенитная нержавеющая сталь) 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.
Методология и методы исследования
Работа выполнена на современном оборудовании. Для оценки микроструктуры использовались микроскопы ПОЛАМ Р-312, Neophot 32, Carl Zeiss AxioObserver Aim, растровые электронные микроскопы Carl 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, Института машиноведения УрО РАН, 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 lingeneria y Tecnológicas 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); 17th LACCEI International Multi-Conference for Engineering, Education, and Technology, LACCEI 2019; Montego Bay; Jamaica; 24 July 2019 до 26 July 2019.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных трудов, из них 8 статей в рецензируемых научных журналах из списка ВАК РФ, из которых 5 проиндексированы в базах Scopus и Web of Science, и 1 патент РФ на полезную модель.
Работы выполнялись в рамках:
1) НИР «Закономерности формирования особо высокой удельной мощности трения сплавов скольжения». Регистрационный номер НИР: 08963 от 01.02.06;
2) НИР «Создание и совершенствование антифрикционных материалов и сплавов для узлов трения в лесном машиностроении и ремонте» (4ИАТТС/2015). Сроки 01.01.2015-31.12.2020
3) НИОКР по теме: «Анализ свойств антифрикционных покрытий» договор № 15/2020 /752-000-0650 от 13.04.2020.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 131 источника. Работа изложена на 157 страницах, содержит 62 рисунков, 41 таблицы и 2 приложений.
Личный вклад автора
Заключается в изготовлении экспериментальных антифрикционых бронз как объектов исследования, планировании и проведении исследований всего спектра необходимых свойств в кооперации с коллегами других НИИ и предприятий. Непосредственное участие автора в обработке, анализе полученных результатов, формулировании итогов и выводов по работе.
Анализ, выполненный Международными комитетами по трибологии, показал, 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. [1-4]
Широко распространенный антифрикционный бронза для подшипников скольжения - оловянная бронза, несмотря на хорошие трибологические, 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 вышеозначенных недостатков - это наличие хрупких интерметаллидов СшАщ в структуре бронзы 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 матириалов 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 Сн-Ее-№ 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 Снз13п8 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, степень 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 из мартенсинтно- стареющих, аустенитных и аустенитных нержавеющих сталей, представляющих 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 из 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.
Экспериментально подтверждена высокая эффективность нового подхода к формированию износостойкой опорной поверхности при трении - твердые оксидные пленки, не склонные к адгезионному взаимодействию с соответствующими контртелами.
По комплексу механических, технологических и служебных свойств композитные бронзы БрЖНА 12-7-1 (дендриты - мартенситно-стареющая сталь) и БрЖНХК 12-7-5-1 (дендриты - аустенитная нержавеющая сталь) 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.
Методология и методы исследования
Работа выполнена на современном оборудовании. Для оценки микроструктуры использовались микроскопы ПОЛАМ Р-312, Neophot 32, Carl Zeiss AxioObserver Aim, растровые электронные микроскопы Carl 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, Института машиноведения УрО РАН, 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 lingeneria y Tecnológicas 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); 17th LACCEI International Multi-Conference for Engineering, Education, and Technology, LACCEI 2019; Montego Bay; Jamaica; 24 July 2019 до 26 July 2019.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных трудов, из них 8 статей в рецензируемых научных журналах из списка ВАК РФ, из которых 5 проиндексированы в базах Scopus и Web of Science, и 1 патент РФ на полезную модель.
Работы выполнялись в рамках:
1) НИР «Закономерности формирования особо высокой удельной мощности трения сплавов скольжения». Регистрационный номер НИР: 08963 от 01.02.06;
2) НИР «Создание и совершенствование антифрикционных материалов и сплавов для узлов трения в лесном машиностроении и ремонте» (4ИАТТС/2015). Сроки 01.01.2015-31.12.2020
3) НИОКР по теме: «Анализ свойств антифрикционных покрытий» договор № 15/2020 /752-000-0650 от 13.04.2020.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 131 источника. Работа изложена на 157 страницах, содержит 62 рисунков, 41 таблицы и 2 приложений.
Личный вклад автора
Заключается в изготовлении экспериментальных антифрикционых бронз как объектов исследования, планировании и проведении исследований всего спектра необходимых свойств в кооперации с коллегами других НИИ и предприятий. Непосредственное участие автора в обработке, анализе полученных результатов, формулировании итогов и выводов по работе.
Изучение возможностей улучшение морфологии частиц интерметаллидной фазы Cu3Sn в классической бронзе БрО10 путем легирования ее Ni, Co не привело к позитивным результатам. При этом на базе известных 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.
По результатам экспериментальных исследований, выполненных в рамках работы можно сделать следующие основные выводы:
1. Разработан базовый вариант композитной бронзы БрЖН 12-7 в котором матрица представляет собой бронзу БрЖН 5-4, а дендрит - сталь мартенситного класса 0Н23. Дополнительное легирование базового варианта бронзы алюминием 1% переводит дендрит в мартенситно-стареющую сталь 0Н23Ю1. При увеличении содержания в бронзе никеля до 9% и хрома до 3% дендриты представляют собой сталь аустенитного класса 0Н26Х9Ю, а матрица бронзу БрНЖХА 3-2-1-1.
2. Исследовано влияние Fe (9-28%), Ni (4-9%), Co (до 2%) на количество дендритной фазы (16-43%), на интенсивность упрочнения при старении дендритов. При наличии Co твердость дендритов после старения достигает 511 HV, что выше твердости интерметаллида Cu31Sn8на 110 ед. HV (БрО10). Дендриты состоят из стальных фрагментов, разделенных оболочкой матричного состава или пластинами h = 0,05 мкм, которые после термической обработки глобулизуются d = 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 (о0,2 = 170 МПа, ов = 364 МПа, у = 43%, 8 = 38%), важно, что для получения этих свойств не требуется термическая обработка. При повышении скорости кристаллизации (переплав, наплавка, вакуумное литье) показатели прочности (о0,2 = 220 МПа, ов= 295 МПа, у = 39%, 8 = 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 0Х17Н17С3. 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. В данном случае в качестве опорной поверхности работает не собственно нержавеющая сталь дендрита, а самовосстанавливающиеся окислы типа (Бе,Сг)зО2, покрывающие эту сталь, не склонные к адгезионному взаимодействию в условиях трения со смазкой с контртелом (сталь ШХ15, НЯс 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 СЧ28 бронзы БрЖНА 12-7-1 «отбела» в зонах термического влияния не происходит - результат графитизирующего влияния N1, Си. 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 Бе (11-13%), N1 (6,5-7,5%), Сг (4,0-4,6%), 81 (0,5-1,0%), армированная аустенитными нержавеющими дендритами, является наилучшей, среди исследованных композитных антифрикционных бронз, по комплексу технологических и трибологических свойств.
Перспективны реализации и дальнейших исследований
1) Разработка технических условий на производство и применение композитных антифрикционных бронз.
2) Оценка деформируемости композитной бронзы БрЖНА 12-7-1 в целях расширения ее практичекого применения (поковка, прокат, волочение и др.)
3) Исследование возможностей создания высоко демпфирующих антифрикционных композитных бронз.
По результатам экспериментальных исследований, выполненных в рамках работы можно сделать следующие основные выводы:
1. Разработан базовый вариант композитной бронзы БрЖН 12-7 в котором матрица представляет собой бронзу БрЖН 5-4, а дендрит - сталь мартенситного класса 0Н23. Дополнительное легирование базового варианта бронзы алюминием 1% переводит дендрит в мартенситно-стареющую сталь 0Н23Ю1. При увеличении содержания в бронзе никеля до 9% и хрома до 3% дендриты представляют собой сталь аустенитного класса 0Н26Х9Ю, а матрица бронзу БрНЖХА 3-2-1-1.
2. Исследовано влияние Fe (9-28%), Ni (4-9%), Co (до 2%) на количество дендритной фазы (16-43%), на интенсивность упрочнения при старении дендритов. При наличии Co твердость дендритов после старения достигает 511 HV, что выше твердости интерметаллида Cu31Sn8на 110 ед. HV (БрО10). Дендриты состоят из стальных фрагментов, разделенных оболочкой матричного состава или пластинами h = 0,05 мкм, которые после термической обработки глобулизуются d = 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 (о0,2 = 170 МПа, ов = 364 МПа, у = 43%, 8 = 38%), важно, что для получения этих свойств не требуется термическая обработка. При повышении скорости кристаллизации (переплав, наплавка, вакуумное литье) показатели прочности (о0,2 = 220 МПа, ов= 295 МПа, у = 39%, 8 = 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 0Х17Н17С3. 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. В данном случае в качестве опорной поверхности работает не собственно нержавеющая сталь дендрита, а самовосстанавливающиеся окислы типа (Бе,Сг)зО2, покрывающие эту сталь, не склонные к адгезионному взаимодействию в условиях трения со смазкой с контртелом (сталь ШХ15, НЯс 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 СЧ28 бронзы БрЖНА 12-7-1 «отбела» в зонах термического влияния не происходит - результат графитизирующего влияния N1, Си. 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 Бе (11-13%), N1 (6,5-7,5%), Сг (4,0-4,6%), 81 (0,5-1,0%), армированная аустенитными нержавеющими дендритами, является наилучшей, среди исследованных композитных антифрикционных бронз, по комплексу технологических и трибологических свойств.
Перспективны реализации и дальнейших исследований
1) Разработка технических условий на производство и применение композитных антифрикционных бронз.
2) Оценка деформируемости композитной бронзы БрЖНА 12-7-1 в целях расширения ее практичекого применения (поковка, прокат, волочение и др.)
3) Исследование возможностей создания высоко демпфирующих антифрикционных композитных бронз.