OBTAINING AN ANTI-FRICTION COMPOSITE MATERIAL BASED ON LEAD BABBITT REINFORCED WITH Al65Cu22Fe13 QUASICRYSTALS

ПОЛУЧЕНИЕ АНТИФРИКЦИОННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СВИНЦОВОГО БАББИТА, АРМИРОВАННОГО КВАЗИКРИСТАЛЛАМИ Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃

Научная статья

Юдин Г.А.¹, Абузин Ю.А²., Тюрина С.А.^3, *

¹ ORCID: 0000-0002-6671-1337;

^{1, 3} Российский технологический университет МИРЭА, Москва, Россия;

² Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (tyurina_s[at]mirea.ru)

Аннотация

Баббиты представляют собой мягкие антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе применяемые в узлах трения скольжения транспортных и энергетических установок. Серьезным недостатком баббитов, ограничивающим их применение, является низкая усталостная прочность.

В работе рассматривается возможность создания антифрикционного композиционного материала, армированного частицами квазикристалла (КК) системы Al-Cu-Fe жидкофазной технологией, существенно отличающегося от широко используемых антифрикционных материалов на основе свинца (баббитов), своими повышенными механическими характеристиками при сохранении низкого уровня коэффициента трения.

Ключевые слова: композиционные материалы, квазикристаллы, баббиты, трибологические свойства, антифрикционные материалы, жидкофазная технология.

OBTAINING AN ANTI-FRICTION COMPOSITE MATERIAL BASED ON LEAD BABBITT REINFORCED WITH Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃ QUASICRYSTALS

Research article

Yudin G.A.¹, Abuzin Yu.A.², Tyurina S.A.^3, *

¹ ORCID: 0000-0002-6671-1337;

^{1, 3} MIREA - Russian Technological University, Moscow, Russia;

² National University of Science and Technology MISIS, Moscow, Russia

* Corresponding author (tyurina_s[at]mirea.ru)

Abstract

Babbitt metals are soft anti-friction alloys based on tin or lead that are used in the sliding friction units of transport and power plants. A serious disadvantage of babbitts, which limits their use, is the low fatigue limit.

The paper considers the possibility of creating an anti-friction composite material reinforced with quasicrystal particles of the Al-Cu-Fe system by liquid-phase technology, which significantly differs from the widely used anti-friction materials based on lead (babbitts) because of an increase in its mechanical characteristics while maintaining a low level of friction coefficient.

Keywords: composite materials, quasicrystals, babbitts, tribological properties, anti-friction materials, liquid-phase technology.

Введение

В связи с активным развитием современной техники существует потребность в создании материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред и высоких давлений. Одним из эффективных путей решения этой задачи является создание композиционных материалов, которые, как известно, состоят из матрицы и распределенных в ней армирующих элементов, благодаря чему композиционные материалы приобретают качественно новые, зачастую уникальные свойства [1], [2].

Следует отметить, что разработка новых композиционных материалов является, в настоящее время, ключевым направлением развития современного материаловедения.

Разрабатываемый материал существенно отличается от широко используемых антифрикционных материалов на основе свинца (баббитов), своими повышенными механическими свойствами при сохранении низкого уровня коэффициента трения. Всё это достигается благодаря уникальным свойствам квазикристалла: низкие поверхностная энергия, коэффициент трения и абразивная способность, высокие антиприхватывающие свойства, твёрдость и термостабильность [3], [4].

Антифрикционные свойства баббитов соответствуют требованиям для работы в высоконагруженных узлах трения [5], [6], [7], но постоянное увеличение нагрузок на узлы трения вынуждает отказываться от использования баббитов из-за их низких механических свойств. Эффективным способом повышения служебных свойств этих сплавов является их дискретное армирование высокопрочными фазами различной природы, морфологии и размера.

Введение квазикристалла (КК) в матрицу из баббита позволит создать опорный каркас баббита, обладающий собственными антифрикционными свойствами, что повысит ресурс и работоспособность нового материала как в традиционных областях применения баббитов, так и в высоконагруженных узлах трения новой техники.

КК-структуры представляют собой новый класс апериодических структур, характеризующихся наличием дальнего порядка и отсутствием трансляционной симметрии. Благодаря своим особенностям локальной атомной и электронной структуры КК имеют низкие теплопроводность, электронный вклад в удельную теплоемкость, а также низкий коэффициент трения, следует отметить, что для КК системы Al-Cu-Fe характерна твёрдость сопоставимая с твёрдостью корунда, но не имеет высокой абразивной способности.

Таким образом, создание материала, обладающего низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и высокой удельной прочностью, является весьма перспективно для их использования в узлах трения в приборостроении.

В работе рассматривается возможность создания антифрикционного композиционного материала, армированного частицами квазикристалла системы Al-Cu-Fe жидкофазной технологией, который имеет повышенные механические характеристиками при малом коэффициенте трения.

Экспериментальная часть

В качестве упрочняющей фазы композиционного материала (КМ) использовали квазикристаллы Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃ с твердостью не менее 7 ГПа, а в качестве матричного сплава баббит типа Б16. Матричный Б16 имеет предел прочности при сжатии 147 МПа, предел текучести при сжатии 84 МПа и относительное сжатие 14,7%, Рабочая температура материала Б16 при работе в подшипнике может достигать 70 С [8].

На рис. 1 представлена картина фотоснимка поверхности образца баббита Б16, где видна его микроструктура, которая состоит из граненых кристаллов олова и сурьмы (β-фаза светлые области) на фоне пестрой структурной составляющей с ярко выраженным эвтектическим строением (γ -фаза темная).

Рис. 1 – Микроструктура баббита (увеличение - х200)

 

Для пропитки порошка КК состава Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃ расплавом баббита Б16 применялся метод принудительной пропитки на гидравлическом прессе. Диаметр внутренней полости матрицы 10 мм при глубине 52 мм. В качестве армирующего наполнителя использовался полидисперсный порошок КК с основной фракцией в диапазоне 1…5 мкм. Пропитка осуществлялась, при температуре расплава Б16 Р_пр. 470 ^оС и температуре матрицы Р_мат. 330^оС.

В процессе работы в узле трения скольжения при вращения стального вала подшипника антифрикционный материал баббит Б16 испытывает достаточно большие динамические нагрузки на сжатие. Поэтому определялись физико-механические свойства КМ баббит Б16 - Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃ на сжатие. Испытания проводились на испытательной машине типа ДТС-06-50. Все образцы разрушались, как хрупкий материал, при этом не наблюдалась заметная их пластическая деформация. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Механические параметры КМ при испытании на сжатие

Материал образца	Предел прочности при сжатии σв, МПа	Предел текучести при сжатии σт, МПа	Твердость по Бринеллю НВ	Относительное сжатие ε, %.
Баббит Б16 ГОСТ 1320-74	147	84	30	14,7
КМ Б16 - Al65Cu22Fe13	210	186	72	4,3

   

Также в работе определялась твердость КМ, которая составила 72 НВ.

Из результатов механических испытаний видно, предел прочности при сжатии повысился на 42 %, предел текучести при сжатии и твердость увеличились более чем в два раза, а относительное сжатие χ снизилось практически в 3,5 раза.

Следует отметить, что структура КМ, армированного порошком КК, закладывается на начальном этапе засыпки порошка и зависит от размера, количества и характера распределения частиц КК в материале.

Учитывая, что объем баббита Б16 был в три раза больше объема порошка КК, пропитка материала протекала полностью. Композиционный материал имеет две макрообласти (рис. 2):

1) образовавшийся КМ;

2) избыток чистого баббита марки Б16.

Рис. 2 – Граница КМ - баббит (увеличение - х100)

 

Известно, что баббит Б16 является широкоинтервальным сплавом с температурой плавления 240…410 ^оС. При температуре 240 ^оС начинается расплавление эвтектики, а далее с повышением температуры начинают расплавляться более тугоплавкие фазы. Однако при температуре 410 ^оС полного расплавления тугоплавких фаз не происходит [9]. Таким образом, в расплаве частично присутствуют некоторая часть включений твердых тугоплавких фаз, которые практически не оказывают влияния на жидкотекучесть расплава. Полное растворение компонентов в сплаве происходит только при температуре 480 ^оС.

Поскольку температура плавления β-фазы (SnSb) составляет 425 ^оС [10], то при такой температуре заливки твердые кристаллы β-фазы неизбежно частично отфильтровываются на границе каркаса из КК. Особые температурные режимы кристаллизации в зоне баббит-КК дают возможность интенсивного роста количества кристаллов β-фазы. Причем изменение температуры заливки приводит к интенсивному росту кристаллов при практически полном заполнении границы раздела (рис. 2).

Следует отметить, что изменение температурных режимов приводит к измельчению кристаллов β -фазы на границе раздела баббит- КМ.

На рис. 3 представлена картина изображения микроструктуры поверхности полученных образцов композиционного материала. Здесь на фотоснимках (Рис. 3, а, б) четко просматривается каркасная структура КМ с дефектами материала в виде пустот. Большинство пустот формировались также в процессе подготовки исследуемого образца (механической шлифовки), из-за того, что в этих пустотах были собраны конгломераты с достаточно плотной упаковкой из мелких частиц. Такая упаковка не позволила обеспечить пропитку этих конгломератов. Известно, что объемную долю наполнителя от 70 % и более достаточно сложно пропитать расплавом.

 

Рис. 3 – Микроструктура полученного композиционного материала: а, б - микроструктура КМ баббит Б16 - Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃ х1000; в - кристаллы β –фазы (SnSb) х1000, укрупнение 200 %

 

На рис. 3 в отчетливо просматриваются кристаллы β-фазы (SnSb) размерами 1…3 мкм, а игольчатые кристаллы интерметаллида Cu₆Sn₅ практически не визуализируются. Это говорит о том, что условия кристаллизации, после пропитки, были таковы что кристаллы β-фазы образовались повсеместно, во всем объеме, а последующая кристаллизация расплава происходила быстро и квазикристаллы не получили возможности роста. Объемная доля частиц КК в КМ составила около 67 %. Учитывая, что β -фаза и интерметаллид являются естественной упрочняющей фазой баббита Б16 с твердостью 100 МПа и 570 МПа соответственно, они также будут являться элементом каркасной структуры КМ. Поэтому, принимая в расчет объемную долю этих кристаллов, процентное содержание армирующих элементов увеличилось до 75…80 %.

Коэффициент трения на сухую сталь о баббит в зависимости от марки и химического состава баббита (оловянные или свинцовистые) колеблется от 0,14 до 0,21 [11]. Коэффициент сухого трения КК составляет 0,2.

Исследования на трение проводились на установке, обеспечивающей возвратно-поступательные движения образца по подложке, в качестве пары трения к КМ баббит Б16 - Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃ с размерами частиц 5…10 мкм, использовалась закаленная сталь марки 40ХН, нагрузка на образец составляла P = 7 кг.

В результате проведенных испытаний был определен коэффициент трения, значение которого составило 0,2. Так после приработки пары трения в контакте работали частицы КК и сталь марки 40ХН.

Заключение

Согласно полученным экспериментальным данным можно сделать вывод, что полученные антифрикционные композиционные материалы на основе свинцового баббита, армированного КК Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃ по антифрикционным свойствам не уступают свинцовым баббитам, а в ряде случаях и превышают их.

Композиционные материалы на основе баббита, армированные частицами квазикристаллов обладают повышенной износостойкостью особенно в высоконагруженных узлах трения. Такой материал может заменить использующийся в настоящее время оловянный баббит, который используется в узлах трения при больших нагрузках и высоких скоростях скольжения.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Анциферов В.Н. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. / В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин и др.//–М.: Металлургия, 1987, 792 стр.
2. Абузин Ю.А. Функциональные металлические композиционные материалы и технологии в машиностроении. / Ю.А. Абузин // Материалы в машиностроении, 2009 № 6(69), с. 52-54.
3. Dubois J.-M. Properties and applications of quasicrystals and complex metallic alloys / J.-M. Dubois //Chem. Soc. Rev. - 2012. - No 41. - P. 4760-6777.
4. Trebin H. R. Quasicrystals. Structure and properties./ H. R. Trebin //- Weinheim: Wiley: VCH GmbH & Co. KGaA, 2003. - 665 p.
5. Черновол М.И. Способы формирования антифрикционных покрытий на металлические поверхности трения. / М.И. Черновол, И.В. Шепеленко // Техника в сельскохозяйственном производстве, автоматизация. 2012. № 7, стр. 25-27. ч.1.
6. Зелинский В.В. Обоснование и разработка новой триботехнологии для антифрикционных материалов. / В.В. Зелинский, Д.Н. Сучилин // Литьё и металлургия. 2015, №3, стр. 32-36.
7. Тарельник В.Б. Приработочные покрытия подшипников скольжения. / В.Б. Тарельник, Б. Антошевский, В.С. Марцинковский // Вестник ХНТУСГ им. П. Василенко. Выпуск №159, 2015. стр. 90-104.
8. ГОСТ 1320-74. Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2001
9. Шайтура Д. С. Композиты, армированные квазикристаллическими частицами Al–Cu–Fe, с медной матрицей и их трибологические свойства. / Д. С. Шайтура, А. А. Теплов, Е. А. Чикина и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2010, № 11, стр. 1–5.
10. Арзамасов Б.Н. Справочник по конструкционным материалам: Справочник / Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьёва, С.А. Герасимов и др.; Под ред. Арзамасова Б.Н., Соловьёвой Т.В. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана Н.Э., 2005.- 640 с.
11. Машков Ю.К. Трение и модифицирование материалов трибосистем. / Ю.К. Машков, К.Н. Полещенко, П.В. Орлов // М. Наука, 2000. - 280 стр.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Anciferov V.N. Poroshkovaja metallurgija i napylennye pokrytija [Powder Metallurgy and Sprayed Coatings]. / V.N. Anciferov, G.V. Bobrov, L.K. Druzhinin et al. //–M.: Metallurgija, 1987, 792 p. [in Russian]
2. Abuzin Ju.A. Funkcional'nye metallicheskie kompozicionnye materialy i tekhnologii v mashinostroenii [Functional Metal Composite Materials and Technologies in Mechanical Engineering]. / Ju.A. Abuzin // Materialy v mashinostroenii, 2009 № 6(69), pp. 52-54. [in Russian]
3. Dubois J.-M. Properties and applications of quasicrystals and complex metallic alloys / J.-M. Dubois //Chem. Soc. Rev. - 2012. - No 41. - P. 4760-6777.
4. Trebin H. R. Quasicrystals. Structure and properties./ R. Trebin //- Weinheim: Wiley: VCH GmbH & Co. KGaA, 2003. - 665 p.
5. Chernovol M.I. Sposoby formirovanija antifrikcionnykh pokrytijj na metallicheskie poverkhnosti trenija [Methods of Forming Antifriction Coatings on Metal Friction Surfaces]. / M.I. Chernovol, I.V. Shepelenko // Tekhnika v sel'skokhozjajjstvennom proizvodstve, avtomatizacija [Technique in Agricultural Production, Automation]. 2012. № 7, pp. 25-27. ch.1. [in Russian]
6. Zelinskijj V.V. Obosnovanie i razrabotka novojj tribotekhnologii dlja antifrikcionnykh materialov [Justification and Development of New Tribotechnologies for Antifriction Materials]. / V.V. Zelinskijj, D.N. Suchilin // Lit'jo i metallurgija [Casting and Metallurgy]. 2015, №3, pp. 32-36. [in Russian]
7. Tarel'nik V.B. Prirabotochnye pokrytija podshipnikov skol'zhenija [The Running-in Coating Bearings]. / V.B. Tarel'nik, B. Antoshevskijj, V.S. Marcinkovskijj // Vestnik KhNTUSG im. P. Vasilenko [Bulletin of Kharkiv Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture]. Volume №159, 2015. pp. 90-104. [in Russian]
8. GOST 1320-74. Babbity olovjannye i svincovye. Tekhnicheskie uslovija. [Tin and lead babbits. Technical Conditions.] M.: IPK standart publishing house, 2001 [in Russian]
9. Shajjtura D. S. Kompozity, armirovannye kvazikristallicheskimi chasticami Al–Cu–Fe, s mednojj matricejj i ikh tribologicheskie svojjstva [Composites Reinforced With Quasicrystalline Al–Cu–Fe Particles With a Copper Matrix and Their Tribological Properties]. / D. S. Shajjtura, A. A. Teplov, E. A. Chikina et al. // Poverkhnost'. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i nejjtronnye issledovanija [Surface. X-Ray, Synchrotron and Neutron Studies], 2010, № 11, pp. 1–5. [in Russian]
10. Arzamasov B.N. Spravochnik po konstrukcionnym materialam: Spravochnik [Handbook of Structural Materials] / B.N. Arzamasov, T.V. Solov'jova, S.A. Gerasimov et al.; Edited by Arzamasov B.N., Solov'jova T.V. – M.: publishing house of MGTU im. Baumana N.Eh., 2005.- 640 p. [in Russian]
11. Mashkov Ju.K. Trenie i modificirovanie materialov tribosistem [Friction and Modification of Tribosystem Materials]. / Ju.K. Mashkov, K.N. Poleshhenko, P.V. Orlov // M. Nauka, 2000. - 280 p. [in Russian]