АЛЮМОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ...

АЛЮМОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
АНТИФРИКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ALUMINIUM MATRIX COMPOSITES FOR ANTIFRICTIONAL
APPLICATIONS
Проф. д.т.н Чернышова Т. 1 , к.т.н.. Кобелева Л. 1 , Болотова Л. 1 , к.т.н. Панфилов А. 2
ИМЕТ им.А.А.Байкова РАН, г. Москва, Россия 1 , Вл.ГУ, г.Владимир, Россия 2
Abstract:Particulate reinforced aluminium matrix composites have potential advantages such as high tribological properties, low weight
and low cost and therefore have a strong application future in many fields of mechanical engineering. In this paper the experimental results
of tribological test of these composites, aluminium alloy and bronze БрО5Ц5С5 in dry sliding against 40X steel counterbody were discussed.
KEYWORDS: METAL-MATRIX COMPOSITES, ALUMINIUM ALLOYS, WEAR, FRICTION
1.Введение/Introduction
Современная техника нуждается в более совершенных
материалах для трибопар. Растут удельные нагрузки и скорости
относительного перемещения трущихся деталей, ужесточаются
температурные условия эксплуатации и агрессивность сред.
Весьма остро стоит вопрос о снижении энергозатрат на трение,
повышении долговечности и надежности трибосопряжений [1].
В связи с этим важное значение приобретают работы по
созданию принципиально новых антифрикционных материалов
с гетерофазной структурой, в том числе металлокомпозитов
(МКМ), в которых искусственно объединены
высокопластичные матрицы, например из сплавов алюминия, и
тугоплавкие высокопрочные, высокомодульные наполнители.
При таком сочетании фаз достигаются значительное повышение
несущей способности подшипниковых материалов и
расширение температурных интервалов работы, высокая
износостойкость и задиростойкость в условиях сухого трения
скольжения [2-4], стойкость против абразивного изнашивания
[5]. Преимуществами алюминиевых сплавов в качестве матриц
МКМ являются высокие показатели теплопроводности,
теплоемкости, высокие технологические свойства, в том числе
возможность варьирования механических свойств и
износостойкости за счет выбора систем легирования и режимов
термических и термомеханических обработок, литейные
свойства, обрабатываемость резанием и, наконец,
совместимость с дискретными наполнителями. Введение в
алюминиевые сплавы армирующих частиц микронных
размеров с резко отличной от матрицы твердостью не только
повышает износостойкость сплавов, но вследствие возросшей
гетерогенности может расширить область существования во
фрикционном контакте так называемых вторичных структур,
обеспечивающих нормальное протекание процесса трения в
широком диапазоне параметров нагружения [6,7].
В настоящей работе рассмотрены некоторые дисперсно
армированные алюмоматричные МКМ антифрикционного
назначения, способы их производства, результаты
трибологических испытаний в условиях сухого трения.
2. Изготовление, структура и свойства дисперсно
армированных МКМ/Processing, structure
and properties of particulate reinforced MMCs.
Дискретными наполнителями для МКМ с матрицами из сплавов
алюминия служат нитевидные кристаллы (НК), короткие
волокна и частицы из высокопрочных, высокомодульных
тугоплавких веществ с высокой энергией межатомной связи —
графита, бора, тугоплавких металлов, карбидов, нитридов,
боридов, оксидов.
Известны различные способы совмещения алюминиевых
матриц с дисперсной упрочняющей фазой: твердофазное или
жидкотвердофазное компактирование порошковых смесей,
литейные технологии пропитки пористых каркасов из
порошков или механического замешивания наполнителей в
181
расплавы; газотермическое напыление композиционных
смесей. Из перечисленных способов производства МКМ наиболее
технологичным и дешевым является литейный с
механическим замешиванием наполнителя в матричный
расплав. Качество получаемых при этом МКМ (распределение
армирующего наполнителя, уровень межфазной связи, наличие
продуктов взаимодействия и пр.) зависит от смачивания наполнителя
матричным расплавом, условий замешивания и
последующей обработки. Смачивание обеспечивает
непрерывный физический контакт между фазами, необходимый
для достижения прочных адгезионных связей. Для
улучшения смачивания на частицы наносят технологические
покрытия методами химического или газофазного осаждения
или модифицируют матрицу поверхностно-активными
добавками (Mg, Ca, Li, Na). Технологически значимыми
параметрами являются конструкция установки для
замешивания; режимы замешивания и затвердевания; режимы
последующих термических или термомеханических обработок.
В результате совмещения матричных сплавов с армирующими
наполнителями по поверхностям раздела возникает межфазная
связь - механическая или химическая. Наиболее прочная
химическая связь устанавливается при развитии между
компонентами МКМ межфазных реакций и образовании новых
химических продуктов – карбидных, оксидных, боридных и
интерметаллидных фаз [8]. В большинстве случаев эти
продукты являются хрупкими и снижают пластичность МКМ.
Микроструктурный анализ литых МКМ выявляет
удовлетворительное распределение частиц в матрицах,
имеющих ячеистую или ячеисто-дендритную структуру. Поры,
несплошности в матрице и на межфазных границах
отсутствуют. Общим для кристаллизации композиций А1-С,
А1-SiC, Al-Al2O 3 является то, что первичные кристаллы αалюминия
образуются не на поверхности частиц, а в матричном
расплаве, что обусловлено плохой смачиваемостью и
теплофизическими характеристиками наполнителей. В МКМ с
матрицей из алюминиевых сплавов, содержащих частицы
металлоподобных карбидов TiC, ZrC, зарождение дендритов αалюминия
происходит на поверхности частиц [9]. То же
наблюдается и в случаях, когда матричный расплав легирован
элементами, образующими при кристаллизации тугоплавкие
интерметаллидные фазы. Введение в расплавы керамических
наполнителей способствует уменьшению дендритного
параметра. Одной из причин этого уменьшения может быть
эффект ограничения кристаллизующихся объемов. Частицы
металлоподобных карбидов и интерметаллидов оказывают
модифицирующее влияние на литую структуру МКМ, так как
характеризуются меньшим несоответствием решеток, высоким
химическим сродством к матрице и более высокой
теплопроводностью.
Уровень механических свойств МКМ зависит от механических
свойств исходных компонентов, фракционного состава и
распределения частиц в матрице, прочности связи между
матрицей и наполнителем; характера последующей обработки.

В общем случае модуль упругости и твердость МКМ выше, а
прочность при растяжении и пластичность МКМ ниже, чем у
матричных сплавов. Последнее обусловлено преимущественным
зарождением трещин на поверхностях раздела или в
участках скопления наполнителей.
Влияние термической обработки на свойства МКМ
определяются в первую очередь составом матрицы. Если
матрица является термически упрочняемым сплавом, то обработка
по режиму дисперсионного твердения (закалка +
старение) приводит к повышению прочности КМ, причем
абсолютный прирост прочности в присутствии армирующих
частиц оказывается меньшим, чем при старении матричного
сплава.
3.Трибологические свойства МКМ/Tribological
properties of MMCs.
Согласно современным представлениям износостойкость
гетерофазных материалов является интегральной характеристикой,
зависящей от физико-химических свойств
составляющих материалы фаз и их соотношения. В работе [10]
для определения удельного сопротивления МКМ абразивному
износу предложено уравнение:
Ap Am
Ω = Ωp
+ Ωm
,
A A
где Ωр и Ω m - удельное сопротивление износу соответственно
наполнителя и матрицы; Ар и А m - площади, занятые на
поверхности трения частицами наполнителя и матрицей; А —
общая площадь трения.
Из уравнения следует, что МКМ с большей объемной долей
наполнителя должны иметь более высокую износостойкость.
Более прочные (твердые) частицы с высоким сопротивлением
схватыванию при прочих равных условиях (равные объемная
доля, фракционный состав, одинаковая прочность связи по
межфазным границам) заметнее повышают сопротивление
износу. При сопоставлении эффективности влияния на износ
упрочняющих фаз различной природы последнее условие
(прочность межфазной связи) особенно важно, так как
определяет соотношение механизмов изнашивания: механического
(абразивного, усталостного) или молекулярномеханического
(адгезионного). В случае слабой связи частиц с
матрицей возрастает роль наиболее распространенного вида
изнашивания - абразивного.
Эти положения согласуются с результатами, полученными
авторами при испытании алюмоматричных МКМ различного
состава в условиях сухого трения скольжения. Испытания
проводили на установке УМТ–1 для оценки фрикционной
теплостойкости (ГОСТ23.210-80) по схеме осевого нагружения
кольцевых образцов ∅нар28 х ∅ вн20 х h 16 мм при постоянных
нагрузках от 70 до 180Н и скоростях скольжения, изменяемых
в пределах от 0,38 до 1,88 м/с (300 – 1500 об/мин). Контртела
были изготовлены из стали 40Х (HRC≥45). Поведение при
сухом трении образцов из МКМ и матричных сплавов АК12 и
АЛ25 оценивали по величине коэффициента трения и
условиям перехода в задир. Износостойкость определяли по
потере массы ΔG i при взвешивании образцов до и после
испытания. Точность взвешивания ± 0,5·10 -3 г. Такие же
испытания – для сравнения – проводили на кольцевых образцах
из бронзы БрО5Ц5С5 и антифрикционного алюминиевого
сплава АО20-1. Поверхность трения и продукты изнашивания
исследовали на оптическом и электронном сканирующем
микроскопах.
Изменение средних значений коэффициента трения f образцов
в зависимости от частоты вращения и нагрузок приведены в
табл. Здесь же отмечены *) значения коэффициента трения при
182
развитии процессов схватывания и заедания, а также
приведены значения интенсивности объемного изнашивания
Iv=ΔGi/γ⋅S i где S i – путь трения на данном этапе нагружения; γ -
удельный вес образца.
Из таблицы следует, что МКМ имеют коэффициенты трения,
характерные для антифрикционных материалов (сплавов
БрО5Ц5С5, АО20-1), но сохраняют их в значительно более
широком диапазоне скоростей скольжения и нагрузок.
Задиростойкость МКМ существенно превосходит таковую
образцов из матричных сплавов. Лучшими по задиростойкости
оказались композиции на базе матричных сплавов, имеющих
наиболее высокие значения предела прочности и текучести, а
также МКМ с полиармированием наполнителями разной
природы. В соответствии с патентом [11] в полиармированных
образцах МКМ керамические частицы обеспечивают несущую
способность и износостойкость МКМ, графитовый
наполнитель вводится в МКМ для создания на поверхности
контакта защитной пленки, т.е. выполняет роль сухой
смазки. Наиболее важный результат испытаний – снижение
интенсивности изнашивания МКМ по сравнению с бронзой
БрО5Ц5С5 более чем на порядок (0,003÷0,01 против
0,104 мм 3 /м).
Металлографические исследования показали, что уже при
малых скоростях относительного перемещения трущихся тел
(0,38 м/с) и малых нагрузках (70Н) на поверхности трения
втулок в направлении скольжения формируются борозды
пластического деформирования, наиболее заметные на
неармированных образцах (глубина борозд более 10 мкм с
шагом между гребнями до 0,5 мм) и менее выраженные на
образцах МКМ, где керамические частицы выполняют роль
несущих элементов. При средних режимах нагружения на
стадии установившегося изнашивания в полосах пластического
деформирования образцов МКМ появляются признаки
структурной самоорганизации в виде ячеек размером 5-10 мкм,
оконтуренных керамическими частицами размером ~1 мкм.
Последнее может быть результатом декогезии и разрушения
частиц с последующим шаржированием их в матрицу.
Формирование на поверхности трения такого рода
диссипативных, или фрактальных, структур можно определить
как устойчивое промежуточное состояние, обеспечивающее
высокую износостойкость образцов МКМ. С увеличением
параметров и длительности испытания ширина полос, где
формируются диссипативные структуры, и размеры их
фрагментов уменьшаются. Одновременно расширяется от
поверхности вглубь образцов зона пластических сдвигов и
поворотов (рис.1). Ширина этих зон достигает 50-150 мкм - в
зависимости от состава МКМ.
Просмотр на растровом электронном микроскопе
поверхности образцов после задира показал, что армирование
матриц приводит к изменению микрорельефа очагов
схватывания (рис.2). В присутствии керамических частиц очаги
схватывания более фрагментированы, чем на
неармированных образцах, вероятно, вследствие возрастания
частоты чередования процессов схватывания и разрыва
адгезионных связей. Введение в МКМ частиц графита
повышает сопротивление схватыванию, в очагах схватывания
возрастает доля площади относительного проскальзывания
трущихся тел.
МКМ с лучшими триботехническими свойствами опробованы
в ряде реальных трибоузлов автомобиле- и машиностроения
[12,13]. Показана экономическая целесообразность замены
традиционных антифрикционных материалов на дисперсно
армированные алюмоматричные МКМ.

Таблица
Коэффициенты трения f и интенсивность изнашивания Iv при испытании на установке УМТ-1 без смазки (контртело-сталь
40Х) и значения твердости образцов.
№
п.п
Состав Нагрузка
Р, Н
f при скорости n, об/мин
300 600 1000 1500
Iv,
мм 3 /м
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 АК12 70 0,93 0,92 0,0151 624
1 АК12 70 0,93 0,92
2
**)
АК12 + 5%SiC (28) 70 0,63 0,62 0,56 0,34* 0,0089 712
108 0,5
144 0,77*
3 АК12 + 5%SiC (28) + 5%С (

в
а б
Заключение/Conclusion
Проведенные исследования свидетельствуют о высоких
трибологических свойствах дисперсно наполненных МКМ
на базе Al сплавов. Армирование относительно мягкой
матрицы высокотвердыми керамическими частицами позволяет
получить высокие значения износостойкости.
Полиармирование керамическими частицами и графитом
обеспечивает низкий коэффициент трения и задиростойкость
Список литературы/References
1. И.П. Ксеневич. Триботехника и проблемы прикладной
механики наземных мобильных машин // Приводная техника –
2003. - 45, №5. – С.2-5
2. Hashing F.M„ Portillo F., Wunderlin R.. Mehrabian R.
Composites of aluminum alloys; fabrication and wear behaviour//
J.Mater.Sci. -1982.- 17, №2. P.477-498.
3. Rohatgi P. Cast aluminum - matrix composites for automotive
applications// JOM. -1991. – 43, №4.- P.10-16.
4. Sannino A.P., Rack H.J. Dry sliding wear of discontinuously
reinforced aluminium composites: review and discussion// Wear. -
1995. - l89.- P.1-19.
5. Mondol D.P., Das S., Jha A.K., Yegneswaren A.H. Abrasive
wear of Al alloy- Al2O3 particle composite: a study on the
combined effect of load and size abrasive// Wear. -1998. -233. –
P.131-138
6. Pramila Bai B.N., Ramasesh B.S„ Surappa M.K. Dry sliding
wear of A356-A1-S1C composites// Wear. - 1992. –157, №2. -
P.295-304.
7.Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Лемешева Т.В. Дисперсно
наполненные композиционные материалы на базе
антифрикционного силумина для узлов трения скольжения//
Перспективные материалы. – 2004. - №3. - C.69-75.
8. Mitra R., Mahajan Y.R. Interfaces in discontinuosly reinforced
MMC (an overview)// Bull.Mater.Sci. - 1995. –18, №4.- P.405-434.
184
Рис.2. Поверхность задира образцов из
АК12-5%SiC (a),
АК12-5%Al 2O 3 –2,5%С (б),
АК12-5%SiC-5%C (в)
(РЭМ, х100)
9. Чернышова ТА., Кобелева Л.И., Шебо П., Панфилов А.В.
Взаимодействие металлических расплавов с армирующими
наполнителями. - М.: Наука, 1993.- 272 с.
10. Axen N., Jacobson S. A model for the abrasive wear resistanсe
of multiphase// Mater. Wear. -1994.-174. - P.127-199.
11. Патент №2171307. Композиционный материал
антифрикционного назначения для работы в условиях
ограниченной смазки/ Чернышова Т.А., Кобелева Л.И.,
Болотова Л.К., Панфилов А.В., Панфилов А.А., Каллиопин
И.К., Карагодов Ю.Д. - Рег.27.07.2001.
12. Применение дискретно армированного композиционного
материала в узлах трения. Ю.А. Курганова, Т.А. Чернышова,
Л.И.Кобелева. Заготовительные производства в
машиностроении, 2006, №4, с.45-47.
13. Применение алюмоматричных композиционных
материалов в узлах трения промышленного оборудования и
транспортной техники. Панфилов А.В., Панфилов А.А.,
Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Заготовительные производства
в машиностроении, 2006, №5, с.38-43.
Работа выполнена при поддержке Грантом РФФИ
05-03-32217-а