Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. 14
1.1. Антифрикционные композиционные материалы с металлической матрицей (МКМ) и методы их получения. 14
1.2. Свойства и способы получения антифрикционных и самосмазывающихся материалов на основе системы Al-Sn . 21
1.3. Краткая характеристика методов ИПД и возможность их применения для пластического структурообразования в МКМ 31
1.4. Постановка задачи 39
2. Используемые материалы и методы их исследования 42
2.1. Исходные материалы, методы изготовления образцов и измерения их механических свойств 42
2.2. Исследование структуры МКМ Al-Sn 47
2.3. Трибологические испытания МКМ Al-Sn 48
3. Структура, механические и трибологические свойства спеченных МКМ Al-Sn 50
3.1. Влияние состава порошковой смеси и режима её спекания на структуру МКМ Al-Sn.. 50
3.2. Механические свойства спеченных МКМ Al-Sn 62
3.3. Трибологические свойства спеченных МКМ Al-Sn 70
3.4. Заключение по разделу 3 87
4. Влияние ркуп на структуру, механические и трибологические свойства МКМ Al-Sn 90
4.1. Закономерности пластического течения и формирования структуры в спечённых МКМ Al-Sn при РКУП 90
4.2. Механические свойства МКМ Al-Sn, обработанных методом РКУП 101
4.3. Трибологические свойства МКМ Al-Sn, обработанных методом РКУП 115
4.4. Заключение по разделу 4 129
Выводы 135
Список сокращений и условных обозначений 137
Список литературы
- Свойства и способы получения антифрикционных и самосмазывающихся материалов на основе системы Al-Sn
- Исследование структуры МКМ Al-Sn
- Механические свойства спеченных МКМ Al-Sn
- Механические свойства МКМ Al-Sn, обработанных методом РКУП
Введение к работе
Актуальность темы. Потери на трение в современных машинах и оборудовании достигают 30 % потребляемой ими энергии, а расходы на устранение последствий их износа в развитых промышленных странах составляют до 2 % валового национального продукта. Следовательно, разработка новых антифрикционных материалов с повышенной износостойкостью или модификация существующих является актуальной материаловедческой задачей, успешное решение которой может дать значительный экономический эффект.
Сплавы на основе алюминия обладают всеми свойствами, необходимыми для антифрикционных материалов [1], но сфера их применения ограничивается из-за склонности сплавов к схватыванию с контртелом при граничном и сухом трении. Давление схватывания алюминиевых сплавов повышается при увеличении содержания в них олова, выполняющего функцию твёрдой смазки, но максимальная его концентрация в промышленных сплавах не превышает 20 вес.%. Ограничение это вызвано тем, что несущая способность и усталостная прочность обогащённых оловом Al сплавов резко снижаются вследствие формирования на стадии их кристаллизации сильно неоднородной структуры, обусловленной изоляцией выпадающих из охлаждаемого расплава частиц лёгкого алюминия плотным жидким оловом и быстрым расслоением указанных фаз в поле гравитационных сил. Поэтому разработка технологии получения сплавов Al-Sn с непрерывной устойчивой к внешним нагрузкам алюминиевой матрицей при высоком содержании и однородном распределении в них олова является актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности темы исследования. Попытки замедлить процессы расслоения и предотвратить дезинтеграцию Al каркаса в литых Al-Sn сплавах с высоким содержанием олова в основном были направлены на диспергирование включений Sn за счёт увеличения скорости охлаждения расплава различными способами [2-5]. В тех случаях, когда с помощью указанных или иных мер всё-таки удавалось получить материал со связанным алюминиевым каркасом, объем мелких включений олова как источников твердой смазки становился ничтожным. В результате, несмотря на большое общее их содержание в образце, на поверхность трения выдавливается мало олова и, соответственно, сплошной защитной плёнки на ней не образуется.
Однако известно, что существует область температур, при которых угол смачивания алюминия оловом становится больше нуля, и Sn не в состоянии надёжно изолировать частицы алюминия и предотвратить их сталкивание и срастание. Попасть в указанный температурный интервал и находиться в нём необходимое для формирования алюминиевого каркаса время можно, например, путём жидкофазного спекания смеси порошков алюминия и олова. И если это действительно так, то технология жидкофазного спекания как способ увеличения содержания твердой смазки в композитах Al-Sn при сохранении их несущей способности может иметь хорошие перспективы, поскольку повышенное содержание Sn должно способствовать значительному улучшению трибологических свойств самосмазывающихся композитов с металлической матрицей (МКМ).
Кроме того, связанный алюминиевый каркас способен препятствовать локализации деформации в прослойках мягкой фазы при внешнем воздействии, и, следовательно, спеченные композиты Al-Sn можно будет подвергать интенсивной пластической
обработке с целью дальнейшего повышения их прочности и износостойкости. Для этого можно использовать, например, равноканальное угловое прессование (РКУП) [6], которое позволяет не только сохранять размеры обрабатываемых образцов, но и, применяя различные маршруты его реализации, эффективно управлять формой и размерами оловянных включений, определяя тем самым количество выдавливаемой на поверхность трения твердой смазки и дистанцию её размазывания.
С учётом сказанного, основной целью настоящей диссертационной работы является разработка технологии получения новых с повышенной износостойкостью порошковых подшипниковых сплавов Al-Sn за счёт модификации их состава и управления структурой при спекании и последующей интенсивной пластической деформации (ИПД).
В соответствии с этой целью необходимо решить следующие задачи:
1. Определить составы смесей порошков Al и Sn и режимы их спекания,
позволяющие получать МКМ с устойчивой к внешним деформационным воздействиям
алюминиевой матрицей, обеспечивающей их высокую несущую способность, в том
числе и при повышенном содержании олова.
2. Исследовать влияние содержания олова на трибологические свойства спеченных
МКМ Al-Sn и определить его концентрацию, обеспечивающую минимальный износ
спеченных образцов при различных нагрузках в условиях сухого трения.
3. Исследовать взаимосвязь механических свойств спеченных МКМ Al-Sn с
особенностями эволюции их структуры на различных масштабных уровнях при
многократном РКУП маршрутами А и С.
4. Исследовать взаимосвязь трибологических свойств обработанных методом РКУП
композитов Al-Sn с их структурой и механическими свойствами. Определить
структурное состояние композитов, отвечающее минимальной интенсивности их
изнашивания в отсутствие смазки при заданных скоростях скольжения и нагрузках.
Научная новизна. В работе впервые:
-
Проведено систематическое исследование процесса жидкофазного спекания смеси Al и Sn порошков, изучено влияние их дисперсности и концентрации на структуру спечённых МКМ Al-Sn, определен состав смесей и режимы их спекания, позволяющие получать композиты с непрерывной матрицей.
-
Определены механические свойства спечённых МКМ Al-Sn, изучена их связь со структурой материала. Установлено, что в широком (050 %) диапазоне содержания второй фазы прочность спечённых композитов является аддитивной величиной, определяемой по правилу идеальной смеси.
-
Исследовано влияние олова в широком концентрационном интервале его содержания на трибологические характеристики МКМ Al-Sn при сухом трении и различных нагрузках. Установлен оптимальный состав МКМ Al-Sn, отвечающий максимальной их износостойкости в заданных условиях.
-
Изучена эволюция макро- и микроструктуры спеченных МКМ Al-Sn при их многократном РКУП по маршрутам А и С. Установлено, что на размер формирующихся субзёрен в алюминиевой матрице влияет как величина суммарной испытанной деформации, так и плотность межфазных границ, величина которой через особенности изменения формы и размеров включений мягкой второй фазы определяется маршрутом
реализации РКУП. Определена взаимосвязь структуры с механическими свойствами обработанных композитов.
5. Исследованы трибологические свойства МКМ Al-Sn, обработанных методом РКУП. Анализ зависимости силы трения от пути трения, а также структуры и состава поверхностей трения показал, что сильное деформационное упрочнение алюминиевой матрицы не приводит к смене механизма изнашивания МКМ при сухом трении по стали, но вызывает снижение его интенсивности с одновременным увеличением интенсивности изнашивания контртела.
Научная ценность работы. Установленные в диссертационной работе соискателя особенности формирования структуры композитов при жидкофазном спекании с различной интенсивностью внешнего теплового воздействия вносят существенный вклад в понимание закономерностей взаимодействия алюминиевых порошков с окружающим их расплавом, позволяют прогнозировать его развитие в заданных условиях и, следовательно, эффективно управлять различными функциональными свойствами новых проектируемых материалов.
Практическая значимость работы.
Разработанная технология позволяет методом жидкофазного спекания смеси порошков Al и Sn получать плотные сплавы Al-Sn, обладающие связанным алюминиевым каркасом, хорошей пластичностью и высокой несущей способностью при повышенном содержании олова.
Оптимальный режим применения РКУП для обработки спечённых МКМ Al-Sn позволяет при сохранении габаритов обрабатываемых образцов значительно повысить их механическую прочность и износостойкость при сухом трении по стали. Данный способ обработки МКМ в совокупности с технологией их жидкофазного спекания и составом защищен двумя российскими патентами.
Предложенная геометрическая модель пластического формоизменения структурных элементов в КМ с невзаимодействующими фазами позволяет априори описать эволюцию их формы и размеров при многократном РКУП по маршруту А.
Методология и методы исследования. Для исследования структуры, механических и триботехнических свойств композитов Al-Sn применялись следующие методы: оптическая металлография, растровая и просвечивающая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, испытания на трение скольжением, измерение твердости и микротвердости, механические испытания на сжатие.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Совокупность экспериментальных данных о влиянии дисперсного и
химического состава порошковых смесей, а также режимов их спекания на
структуру, механические и трибологические свойства спеченных сплавов системы
Al-Sn, позволяющих разработать технологию получения самосмазывающихся
композитов с повышенной износостойкостью при сухом трении.
-
Совокупность экспериментальных данных по влиянию обработки методом РКУП на структуру и механические свойства спечённых сплавов системы Al-Sn, позволяющих достичь существенного повышения их износостойкости в условиях сухого трения в паре со сталью.
-
Экспериментально подтверждённая геометрическая модель пластического формоизменения макроструктурных элементов в композитах с
невзаимодействующими пластичными фазами, позволяющая априори рассчитать их конечные размеры при обработке образцов методом РКУП по маршруту А.
Достоверность результатов обеспечивается применением комплекса современных методов экспериментальных исследований, непротиворечивостью полученных результатов и их согласием с опубликованными данными других исследователей.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Россия, Волгоград, 2010); II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (Россия, Новосибирск, 2011); III Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Россия, Юрга, 2012); XXIV Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы машиноведения» (МИКМУС - 2012) (Москва, 2012); The 7th International Forum on Strategic Technology (IFOST 2012) (Russia, Tomsk, 2012); IV Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Россия, Юрга, 2013); Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Россия, Томск, 2013); 2-й Всероссийской научной конференции «Механика наноструктурированных материалов и систем» (Москва, 2013); V Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Россия, Юрга, 2014); IV Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Россия, Томск, 2015); Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (Россия, Томск, 2015).
Публикации. Основные результаты работы отражены в 14 публикациях. Из них 6 – в зарубежных изданиях, включенных в базы данных Scopus и Web of Science, 8 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, остальные – в журналах и трудах конференций различного уровня.
Вклад автора. Составление литературного обзора по теме диссертации и участие в обсуждении планов экспериментальных исследований. Изготовление и подготовка опытных образцов для испытаний и исследований. Измерение пористости, твердости, проведение механических и триботехнических испытаний полученных материалов, а также металлографических исследований с помощью ОМ и РЭМ. Анализ и обсуждение результатов экспериментальных исследований совместно с научным руководителем Русиным Н.М., оформление и подготовка их к публикации.
Работа выполнена в соответствии с планами госбюджетной тематики, а также в рамках выполнения следующих проектов и грантов: Проект РФФИ № 08-08-00314-a (2008-2010); Проект РФФИ № 11-08-00460-а (2011-2013); Международные (Корея, Самсунг) хоздоговорные проекты № 057/09 (2009-2010) и № 038/11 (2011-2013); Соглашений с МОН (RFMEFI57814X0035) .
Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из введения, четырех разделов и выводов. Всего 155 страниц машинописного текста, включая список литературы из 128 наименований, два приложения, 48 рисунков и 18 таблиц.
Свойства и способы получения антифрикционных и самосмазывающихся материалов на основе системы Al-Sn
Однако Sn является дорогим и дефицитным металлом, поэтому в качестве альтернативных материалов были исследованы алюминиевые сплавы, содержащие в качестве мягкой структурной составляющей металлы: Bi, Cd, Ga, Pb и Zn [1]. И поскольку первые три металла являются ещё более дефицитными, чем олово, то упор делался на изучении антифрикционных свойств сплавов со свинцом и цинком [20-24]. Было установлено, что антифрикционные свойства некоторых таких материалов близки к свойствам промышленного сплава AO20-1 [25]. Например, сплав Al-20Pb-1,1Сu обладает более низким коэффициентом трения (при наличии смазки) на всем диапазоне нагрузок по сравнению со сплавом Al-20Sn-1,1Сu [26]. И хотя из-за того, что свинец по сравнению с оловом является более мягким металлом, сплавы Al-Pb менее прочны, но они обладают более высокой задиростойкостью [27] и пластичностью. Однако широкому применению сплавов Al-Pb, особенно с высоким содержанием Pb, препятствует нерешённая проблема равномерного распределения сильно отличающихся по плотности фаз [28]. Кроме того, свинец является токсичным металлом [29], и его использование повсеместно пытаются ограничить.
Цинк не токсичен и пластичен, его температура плавления гораздо ниже температуры плавления алюминия, и ряд сплавов на основе системы Al-Zn даже нашёл применение в качестве антифрикционных самосмазывающихся материалов в подшипниках скольжения [21, 30]. Такие сплавы обладают более высокой износостойкостью по сравнению со многими известными подшипниковыми материалами [31]. Однако по сравнению с баббитами и сплавами систем Al-Sn и Al-Pb сплавы Al-Zn менее пластичны и значительно твёрже, что неизбежно приводит к повышенному износу стального вала в узлах трения и ускоренному износу самих антифрикционных материалов вследствие их низкой усталостной прочности. Из представленного обзора следует, что на практике применяются антифрикционные материалы, как с большим количеством частиц твёрдой фазы, так и композиты с пластичной второй фазой. Выбор в пользу того или иного типа подшипникового материала диктуется не только множеством технических условий, при которых происходит его фрикционный контакт, но и экономическими соображениями, учитывающими соотношение «цена-качество». Поэтому становится важным не только состав антифрикционных материалов, но и способ их получения, определяющий производственные затраты. Методы получения антифрикционных композиционных материалов с металлической матрицей (МКМ) Ввиду низкой твёрдости и малой несущей способности антифрикционные МКМ редко используют в виде монометаллических подшипников. В основном они применяются в качестве тонких покрытий, которые наносятся на жёсткие стальные вкладыши, например, заливкой стального основания антифрикционным сплавом [1]. К недостаткам данной технологии относятся образование дефектов типа раковин и пор, низкая прочность сцепления сплава со стальной основой. В случаях, когда плотность компонентов расплавов сильно различается, может иметь место ликвация, в результате которой структура покрытия становится сильно неоднородной [32-34].
Решить проблему ликвации, снизить припуск под механическую обработку и повысить адгезионную связь антифрикционного слоя с подложкой позволяет применение методов плазменного напыления и наплавки покрытий [5, 35]. К сожалению, для таких покрытий характерно наличие пористости (2 – 15 %), а используемое при их получении оборудование дорогостоящее и сложно в применении. В ряде случаев для получения МКМ также используется пропитка, характеризующаяся высокой производительностью [33]. Причём, пропитывать можно не только пористые материалы [36-38], но и литые, используя принципы контактного легирования [39, 40]. К недостаткам метода следует отнести невозможность получения равномерного распределения вводимого элемента по объему матричного материала, в результате чего трудно добиться требуемого содержания компонентов на поверхности трения. Кроме того, при пропитке, например, алюминиевых сплавов оловом или свинцом возникают проблемы со смачиванием из-за наличия на поверхности Al оксидной пленки.
Достаточно эффективными при получении антифрикционных МКМ являются методы порошковой металлургии (ПМ) [41-43], включающие, в том числе, элементы аддитивной технологии [44]. С их помощью можно добиться более равномерного, чем в литых материалах, распределения фаз, плотность которых значительно отличается. Для повышения физико-механических свойств спечённых изделий к ним может быть применена дополнительная обработка, целью которой также может быть придание изделиям окончательных размеров и формы.
По мнению специалистов, наиболее сложным и важным технологическим этапом ПМ является спекание [45, 46], то есть нагрев и выдержка порошковой формовки при определенной температуре (ГОСТ 17359-82) с целью обеспечения заданных как физико-химических, так и механических свойств материала. Их величина сильно зависит от пористости, на развитие которой влияет направление массовых потоков и их интенсивность в процессе сплавообразования [41], количество жидкой фазы и ряд других факторов. В случае спекания невзаимодействующих компонентов основное влияние на пористость материала оказывают капиллярные силы, величина которых зависит от сил поверхностного натяжения между фазами.
Исследование структуры МКМ Al-Sn
Металлографические исследования структуры спеченных и деформированных материалов проводили с помощью оптических микроскопов AXIOVERT-200MAT (Zeiss, Германия) и АЛЬТАМИ МЕТ 1 М.
Поскольку разрешающая способность оптических микроскопов (ОМ) не более 0,2 мкм, то для более детального исследования структуры спеченных и деформированных МКМ Al-Sn применяли растровую электронную микроскопию (РЭМ) и просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) [28]. РЭМ исследования проводили на микроскопе LEO EVO 50 (Карл Цейс, Германия) с разрешающей способностью не менее 30 нм. Микроскоп дополнительно оснащён встроенным микроанализатором, с помощью которого определяли элементный состав образцов. Исследование микроструктуры методом ПЭМ проводили на приборе ПЭМ-125К с диаметром селекторной диафрагмы 1 мкм. Разрешающая способность ПЭМ составляет 0,2-0,5 нм, что дает возможность наблюдения дефектов кристаллической структуры [91]. Для исследования микроструктуры композитов Al-Sn использовали картину микродифракции, светлопольное и темнопольное изображения.
Приготовление шлифов для ОМ и РЭМ исследований осуществляли на полировальном станке MECAPOL P 230 путем механического шлифования на абразивных бумагах с убывающей зернистостью и последующего полирования на сукне, смоченном суспензией с абразивными частицами размером 1 мкм. Финальной стадией приготовления поверхности шлифов была электрохимическая полировка в 4-х процентном спиртовом растворе HNO3 при постоянном напряжении 20-30 В и времени полирования 3-4 сек.
В процессе изготовления фольг для ПЭМ исследований вырезались образцы площадью 0,7х3 мм, которые механически утонялись до 110-130 мкм. Затем, полученные образцы подвергали ионной бомбардировке на приборе ION SLICER – 09100 IS до образования отверстия.
Среднюю толщину межфазных прослоек в МКМ Al-Sn определяли по методу секущей, направленной в случае обработанных методом РКУП образцов перпендикулярно продольной оси вытянутых фазовых включений.
Фазовый состав композитов Al-Sn определяли с помощью рентгеноструктурного анализа [92] данных, полученных с помощью дифрактометра ДРОН-7 на излучении Co-K, с использованием симметричной схемы отражения, без монохроматора. Съемку проводили в интервале углов 11 2 150 с шагом 0,06 и экспозицией 5 сек. Для обработки результатов использовали программный комплекс PDWin (Буревестник, Россия). Наиболее полно антифрикционные свойства материалов проявляются в отсутствие жидкой смазки на контакте, поэтому испытания спеченных и деформированных МКМ Al-Sn проводили при сухом трении их по стали с применением схемы испытаний «палец - диск» на триботестере фирмы «Tribotechnic» (France).
Образцы для испытаний представляли собой прямоугольные параллелепипеды с площадью рабочей поверхности 9 мм2. В качестве контртела использовали диски диаметром 80 мм, сделанные из закаленной стали Ст. 45 с твердостью 45-47 HRc. Рабочую поверхность образцов готовили по той же методике, что и шлифы для металлографических исследований. Рабочую поверхность диска полировали на сукне с использованием алмазной пасты с размерами частиц 1-3 мкм. Для устранения загрязнений, рабочие поверхности образца и диска перед испытанием протирали ватным тампоном, смоченным ацетоном.
Давление на поверхность трения испытываемых образцов составляло 1, 3 и 5 МПа, а скорость скольжения 0,07, 0,6 и 0,9 м/с. Величина силы трения регистрировалась автоматически каждую секунду с помощью встроенного микропроцессора. В случае деформированных методом РКУП образцов поверхностью трения служила плоскость течения материала, а направление трения выбиралось поперек вытянутых оловянных включений. Длинна пути притирки всех образцов составляла 1000 м. Интенсивность изнашивания исследуемых материалов определяли
Механические свойства спеченных МКМ Al-Sn
Причиной указанного отличия является исходная зёренная структура распылённых алюминиевых порошков, которая определяется скоростью их охлаждения при получении. Скорость кристаллизации мелких капель расплава выше, поэтому зёрна в порошках АСД-4 гораздо мельче, чем в крупных порошинках ПА-3. При спекании олово проникает по границам зёрен в порошинки и дезинтегрирует их на частицы, что хорошо видно на РЭМ изображении (вставка на рис. 3.4а). Способность жидкого Sn проникать по границам алюминиевых зерен была показана в работе [102]. Далее алюминиевые частицы начинают растворяться в жидком олове, и в первую очередь растворяются наиболее мелкие из них с повышенной удельной поверхностью [45]. После насыщения расплава атомами Al, они начинают выпадать из него на поверхность зёрен с меньшей кривизной. Мелкие зёрна, таким образом, исчезают, а крупные растут.
Растворение мелких частиц выводит оставшиеся частицы алюминия из зацепления, и они начинают перегруппировываться под действием сил поверхностного натяжения, а прессовка дополнительно уплотняется. Когда наиболее мелкие частицы исчезают, а оставшиеся подрастают за их счёт и выравниваются по размерам, перекристаллизация осуществляется за счёт выравнивания их поверхности [45]. Частицы начинают приобретать огранённый вид, а их перегруппировка замедляется.
При дезинтеграции оловом больших крупнозернистых порошков алюминия мелких частиц образуется мало, и период их растворения очень короткий. Поэтому, уплотнение прессовок из крупнодисперсных порошков за счёт перегруппировки незначительное. В то же время, период выравнивания формы (огранивания) Al частиц, при равном времени спекания, более длительный.
Следует отметить ещё одну особенность, присущую спеканию МКМ Al-Sn. А именно, увеличение температуры спекания и длительности его, особенно последнее, приводит к заметной потере массы образцов. Ясно, что это происходит за счёт потери олова, поскольку «усушка» чистого алюминия при тех же условиях незначительна (табл. 3.1). Мы полагаем, что причиной потери массы является выпотевание жидкого Sn ввиду отсутствия смачивания им оксидной пленки на поверхности Al и плохого смачивания алюминия в значительном интервале температур [103].
Таким образом, из полученных результатов следует, что спекание смеси порошков олова и алюминия является сложным процессом и протекает в несколько стадий. Первая стадия заключается в проникновении олова под оксидную плёнку и растекании его по поверхности алюминиевых порошков. При этом Sn проникает по границам алюминиевых зёрен и фрагментирует порошинки (рис. 3.4а). Затем наступает стадия растворения наиболее мелких Al частиц. Их растворение выводит оставшиеся частицы из зацепления и реализуется стадия перегруппировки частиц твёрдой фазы под действием капиллярных сил в более плотную конфигурацию. Данная стадия протекает наиболее интенсивно при использовании исходных порошков алюминия мелкой фракции АСД - 4, и спечённый материал получается с минимальной пористостью (табл. 3.3). После растворения мельчайших Al частиц наступает стадия выравнивания формы оставшихся за счёт повышенной растворимости выступающих участков их поверхности с большей кривизной и поверхностной энергией и перекристаллизацией растворившихся атомов через жидкую фазу. Это приводит к огрублению структуры материала.
Установлено, что ввиду длительного инкубационного периода, связанного с распространением олова по поверхности порошков алюминия, малого времени выдержки оказывается недостаточно для получения МКМ с низкой пористостью (рис. 3.4). Поэтому оптимальное время спекания смесей Al-Sn составляет около 1 часа, а температура – около 600 С [104, 105], когда угол смачивания частиц алюминия расплавом олова начинает резко убывать. Спечённые по данному режиму прессовки имеют минимальную пористость (табл. 3.3), и относительно мелкую однородную структуру. Ещё более мелкозернистую структуру в исходном состоянии, чем у порошков АСД, имеют порошки сплавов Al-Sn. Однако от их использования пришлось отказаться потому, что огрубление мелких алюминиевых зёрен при спекании протекает настолько быстро, что к моменту его окончания размер зёрен становится примерно таким же, как и у спечённого сплава из смеси порошков [105]. Кроме того, состав порошков сплава всегда фиксирован, а цена их гораздо выше, чем у соответствующей смеси чистых порошков А1 и Sn.
Необходимо отметить, что получение высокоплотного материала Al-Sn является не единственной важной целью спекания. Желательно также, чтобы композит имел непрерывную устойчивую к внешней нагрузке матрицу, которая бы позволяла деформируемым образцам менять форму без локализации пластического течения в прослойках более мягкой фазы, в том числе и при содержании последней выше, чем в литых промышленных антифрикционных сплавах данной системы.
Фотографии структуры спечённых по оптимальному режиму композитов приведены на рис. 3.6. Из них видно, что при содержании олова 10...50 вес. % структура МКМ представляет собой частицы алюминиевой матрицы с заключёнными между ними оловянными прослойками. Толщина прослоек Sn и их разветвлённость увеличиваются по мере повышения Сsn
Механические свойства МКМ Al-Sn, обработанных методом РКУП
Большая часть предшествующих данной работе исследований по выявлению роли структурных факторов различного масштаба на триботехнические свойства самосмазывающихся сплавов Al-Sn была проведена на материалах, обработанных с помощью традиционных методов типа прокатки или экструзии. Схема деформации образцов при таких обработках близка к чистому сдвигу, что при большой ее интенсивности приводит к фрагментации включений олова на мелкие частицы и тем самым снижает их объём как источников твёрдой смазки. При этом из-за утонения обрабатываемых образцов, в качестве поверхности трения можно использовать только определённые их сечения, структура которых также строго определена. Наконец объёмное содержание олова в обрабатываемых литых псевдосплавах ограничено предельной его концентрацией около 10 % из-за потери матрицей непрерывности. Всё это в совокупности не позволяло систематически исследовать роль структурных факторов в формировании механических и трибологических свойств сплавов Al-Sn.
В настоящей работе для деформационной обработки МКМ Al-Sn применялось равноканальное угловое прессование (РКУП). В отличие от традиционных методов обработки (прокатка, экструзия) данный способ позволяет сохранять поперечные размеры обрабатываемых образцов, в результате чего их можно подвергать многочисленным повторным прессованиям, накапливая очень большие деформации [74, 84] и использовать для триботехнических испытаний плоскости сечения с любой заданной ориентацией включений. В процессе РКУП образец подвергается деформации по схеме простого сдвига, и поскольку жёсткие боковые стенки каналов не позволяют ему менять исходные поперечные размеры, то в очаге пластической деформации материал испытывает плоское деформированное состояние. В случае МКМ Al-Sn это означает, что глубина залегания оловянных включений относительно плоскости течения будет сохраняться, и, следовательно, сохраняться их объем как источников твердой смазки. Пластическое формоизменение включений в плоскости течения при этом не ограничивается, что позволяет управлять макроскопической структурой в данной плоскости за счет выбора различных маршрутов прессования [6].
Многократное прессование спечённых МКМ Al-Sn проводили маршрутами А и С (далее, как РКУП(А) и РКУП(С), соответственно), при которых положение плоскости течения относительно глобальной системы координат остается неизменным. Однако ориентация пересекающей её плоскости сдвига и реализуемое в ней направление сдвига при этом меняются, и, соответственно, изменяется форма оловянных включений. Это позволяет управлять макроструктурой в плоскости течения и исследовать влияние её особенностей на прочность и триботехнические свойства спеченных композитов Al-Sn.
Как было установлено в разделе 3.2, олово не упрочняется при деформации, но алюминий подлежит деформационному упрочнению, и, значит, МКМ Al-Sn не являются идеальными материалами. Следовательно, характер их пластического течения при РКУП может не соответствовать предсказанному механической теорией метода и под воздействием различных факторов быть менее однородным, с образованием зон критических растягивающих напряжений [74, 84]. То есть, материал при РКУП может испытывать сложное напряжённо-деформированное состояние, которое часто является причиной появления трещин в образцах даже из пластичных металлов [86]. В нашем случае также в ходе РКУП при комнатной температуре в верхней части спечённых образцов Al-Sn зарождались глубокие периодические трещины (рис. 4.1), несмотря на низкую исходную пористость МКМ и высокую пластичность составляющих их фаз. Повышение температуры прессования до 100-150 С приводило к усилению роли сил контактного трения, и во внешнем углу пересечения каналов образовывалась большая застойная зона, а образцы при этом также растрескивались. И только повышение температуры РКУП до 200 С приводило к быстрой релаксации внутренних напряжений ниже критических значений, что позволило избежать растрескивания образцов, хотя застойная зона оставалась. Отметим, что к нагреву до указанной температуры прибегали также в работе [5] при деформировании прокаткой напылённого слоя сплава Al-Sn.
Из анализа теории течения материалов при РКУП следует, что максимальные изменения формы включений в МКМ Al-Sn следует ожидать при использовании маршрута А. Поскольку при этом реализуется плоское деформированное состояние, то изменения будут проходить в плоскости течения. Для описания их характера нами была предложена простая геометрическая модель, опирающаяся на построения, используемые в работе [6] при изучении концевого эффекта РКУП. В основе модели лежит допущение, что в плоскости течения деформация распределяется равномерно. То есть, лежащие в произвольной плоскости течения и пересекающие очаг деформации линии течения параллельны, а движущиеся вдоль этих линий материальные точки проходят при РКУП одинаковое расстояние. Судя по малой дисторсии формы образца (рис. 4.1г) такое допущение вполне уместно.
Следовательно, если между такими линиями поместить некоторую фигуру, то её стороны, лежащие на параллельных линиях течения, при переходе из рабочего канала в выходной не изменят своей длины и ориентации относительно направления течения. При этом они сместятся вдоль линий течения относительно друг друга на расстояние, определяемое углом пересечения каналов, то есть, величиной простого сдвига g, определяемой выражением 1.6. В этом случае конечную форму заключённого между двумя линиями течения структурного элемента после прохождения им очага пластической деформации легко определить [6].
В случае пресс-формы с перпендикулярными каналами интенсивность простого сдвига = 2. Следовательно, в процессе РКУП структурный элемент, представляющий собой изначально в сечении плоскостью течения квадрат abcd, трансформируется в параллелограмм (рис. 4.2), испытавший простой сдвиг на величину, равную его удвоенному поперечному размеру.
В ходе второго прессования по маршруту А плоскость течения остаётся неизменной, и сформированный после первого прохода параллелограмм испытает повторный сдвиг с той же интенсивностью [6]. В результате он дополнительно вытянется и утонится, принимая форму пластины.