ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 5, с. 538-540
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.6'3'75:539.538
О МЕХАНИЗМЕ ПРИРАБОТКИ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА ИЗНОС БАББИТА Б83
© 2015 г. А. Х. Валеева, И. Ш. Валеев, Р. Ф. Фазлыахметов, А. И. Пшеничнюк
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001 Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39
e-mail: valeevs@mail.ru Поступила в редакцию 07.07.2014 г.; в окончательном варианте — 10.11.2014 г.
На основе анализа изменения структуры литого баббита Б83 в процессе испытаний на износ и сравнения кривых изнашивания литого баббита и электроосажденного покрытия, такого же фазового состава, предложен механизм износа на стадии приработки Б83, сводящийся к диспергированию крупных интерметаллидных частиц Р-фазы, впрессовыванию частиц скола в мягкую пластичную матрицу и формированию достаточно однородного и равномерно замощенного твердыми мелкими частицами покрытия.
Ключевые слова: износ, приработка, баббит Б83, электроосажденное покрытие. DOI: 10.7868/S0015323015050137
ВВЕДЕНИЕ
Износ — специфический вид разрушения, заключающийся в удалении материала с поверхности трения. На типичной зависимости износа от времени испытания выделяется три стадии [1]. Начальный период процесса изнашивания (0 < I < ?1) называется приработкой. После режима приработки наступает стадия установившегося износа. Во время этой стадии процесса изнашивания (?1 < < I < ?2) износ является линейной функцией времени. Третья стадия — катастрофический износ.
Механический износ определяется напряженным состоянием в контактной зоне пары трения. Сформированное при заданных условиях испытания на износ напряженное состояние задает возможные механизмы разрушения в поверхности контакта и условия образования частиц износа, что в совокупности определяет механизм изнашивания и соответствующую интенсивность износа. Даже для однородных по механическим свойствам поверхностей контактной пары определение механизма износа и расчет интенсивности износа является непростой задачей [1].
Дополнительные сложности возникают при описании изнашивания материалов с неоднородной структурой. А именно такая структура, согласно правилу Шарпи [2], будет обладать высокими антифрикционными свойствами: пластичная матрица + твердые изолированные частицы. В полной мере этим условиям соответствует структура баббитов — сплавов 8п—8Ъ—Си. Она состоит из трех фаз: матричная а-фаза является твердым раствором сурьмы и меди в олове; Р-фаза представляет собой крупные светлые кубические
кристаллы интерметаллида 8п8Ъ; п-фаза, в виде "звездочек" и "игл", является соединением Си68п5 [2—4]. При испытании таких материалов согласно [1] износ происходит в области мягкой фазы, формируя волнистую поверхность.
Это так, если включения твердые и прочные, однако частицы Р-фазы в баббите обладают низкой пластичностью, достаточно хрупкие и отзываются на скалывающие напряжения, возникающие при испытании на износ, раньше или одновременно с матричной фазой, т.е. частицы износа могут формироваться не только из мягкой матричной фазы, но и при раскалывании твердых включений Р-фазы. Заметим, что сильное измельчение интерметаллидной фазы в результате поверхностной фрикционной обработки продемонстрировано в работе [3]. Возникает предположение, что именно этот процесс может лежать в основе механизма приработки при испытании на износ литого баббита. Цель работы — проверка этого предположения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ
Материалом исследования служил литой промышленный баббит Б83, содержащий 11.5% (мас.) 8Ъ и 5.5% Си, (остальное 8п).
Тройной сплав 8п138Ъ10Си получали электрохимическим осаждением с использованием электролита следующего состава: 8п804 20 г/л, 8ЪС13 3-4 г/л, Си804 4-6 г/л, Н2804 100 мл/л, формалин (40%-ный раствор) 6 мл/л, 0П-10 — 4 г/л, 2-бутин-1,4-диол (35%-ный раствор) 40 мл/л [5]. Электроосаждение проводили при
О МЕХАНИЗМЕ ПРИРАБОТКИ ПРИ ИСПЫТАНИИ
539
^ 18 * 16 3 14
200
400
600
800
1000
Дистанция скольжения, м
Рис. 1. Кривые изнашивания литого баббита и элек-троосажденного сплава 8и138Ъ10Си.
силе тока 0.2 А. Сплав наносили на подложку из бронзы БрОС8-12. Использовали инертный анод из графита.
Структуру образцов исследовали методами оптической металлографии на микроскопе "Ахю-уе11-100А", с программой обработки изображения KSLite. Для выявления структуры баббита образцы подвергали химическому травлению 4% - ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Микротвердость по Виккерсу измеряли на этом же микроскопе, используя приставку "МНТ-10", при нагрузке 40 Н для Р-фазы, 20 Н для а-фазы и 3 Н для п-фазы. Для каждого состояния проводили не менее десяти измерений, при этом коэффициент вариации измерений не превышал 5%.
Анализ химического состава (соотношения компонентов) и микроструктуры полученных покрытий проводили на растровом электронном микроскопе VEGA3 TESCAN.
Рентгеноструктурный анализ проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН 4-07, используя СиК"а-излучение с фокусировкой по Брегу—Брентано со щелями Солера на первичном и дифрагированном пучках и графитовым кристалл-монохроматором на дифрагированном пучке.
Износ определяли по потере массы образца в результате трения. Образцы одинаковой площади и радиусом рабочей поверхности 25 мм, предварительно притирали к контртелу - диску на машине трения СМЦ-2 по схеме "дис к- колодка". Диск, диаметром 50 мм и шириной 12 мм, выполнен из стали 40Х. Частота вращения диска при испытаниях на износ составляла 300 об/мин. Нагрузка на образец при испытаниях на износ составляла Р = 321.7 Н, что соответствовало значению давления на площади контакта р = 5.3 МПа. По результатам предварительных испытаний определены: путь трения до взвешивания Ьрф = 31.4 м; путь трения на установившейся стадии износа Ь = 1000 м.
Износ осуществляли в режиме граничного трения при смазывании диска компрессорным маслом КС-19 перед каждым испытанием. Взвешивание образцов осуществляли на аналитических весах ALC210d4.
Рис. 2. Микроструктура баббита Б83: а — в литом состоянии; б — после износа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Кривая зависимости износа литого баббита от дистанции скольжения приведена на рис. 1.
На дистанции скольжения до 600 метров скорость износа монотонно уменьшается от величины 0.0864 мг/м до 0.0045 мг/м и затем остается практически постоянной. Именно эту дистанцию до 600 метров будем считать этапом приработки. Средняя скорость износа на этапе приработки составляет 0.0232 мг/м.
На рис. 2 приведены фотографии микроструктуры баббита Б83 в исходном (литом) состоянии и после износа.
Из рис. 2а видно, что в структуре литого баббита присутствуют крупные, размером до 150 мкм и более выделения интерметаллидной Р-фазы ^^Ъ), окруженные матричной а-фазой (ОЦК-твердый раствор на основе олова). В анализируемом сплаве также присутствуют светлые частицы П -фазы в виде крупных игл химического соединения Си^п5. Микротвердость крупных частиц, матрицы сплава и игольчатых выделений составляет 1050, 190 и 3040 МПа соответственно.
В процессе изнашивания (рис. 2б) микроструктура литого баббита существенно изменяется. В соответствии с [1] происходит образование частиц износа из мягкой матричной фазы. При этом крупные интерметаллидные частицы умень-
0
540
ВАЛЕЕВА и др.
Рис. 3. Микроструктура электроосажденного покрытия Sn13Sb10Cu.
шаются в размерах за счет сколов, образующих второй тип частиц износа. Часть их покидает зону контакта, определяя собственно износ, а часть впрессовывается в мягкую пластичную матрицу, повышая ее износостойкость, что отражается на кривой износа уменьшением угла наклона касательной на стадии приработки с увеличением дистанции скольжения. В некоторых случаях наблюдается полное выкрашивание частиц Р-фазы с образованием каверн. Микротвердость крупных частиц, матрицы сплава и игольчатых выделений после износа составляет 1030, 190 и 2900 МПа, соответственно. Стадия приработки заканчивается, когда матрица достаточно однородно и равномерно замощена твердыми мелкими частицами, наступает период устойчивого линейного износа.
Отсюда, в частности, следует, что антифрикционный слой, изначально характеризующийся однородным распределением мелкодисперсной интерметаллидной фазы, будет иметь кривую износа без стадии приработки. Требуемую структуру покрытия можно получить электрохимическими методами. На рис. 3 приведена микроструктура электроосажденного покрытия 8п138Ъ10Си.
Химический состав полученного электроса-жденного покрытия совпадает с составом литого баббита.
Рентгеноструктурный анализ (рис. 4) показал, что в исследуемом покрытии, присутствуют те же фазы (8п8Ъ, Си68п5), что и в сплаве Б83. Количественное содержание матричной фазы составляет 40.9%, р-фазы — 45.4%, п-фазы — 13.7%
Кривая износа электроосажденного сплава 8п138Ъ10Си в сравнении с кривой износа литого баббита приведена на рис. 1.
29, град
Рис. 4. Дифрактограмма покрытия Sn13Sb10Cu.
Скорость износа электроосажденного покрытия равна 0.0045 мг/м и практически совпадает со скоростью износа литого баббита на стадии установившегося износа. Этап приработки для электроосажденного покрытия отсутствует. Заметим, что отношение средней скорости износа на стадии приработки литого баббита к скорости износа электроосажденного покрытия равно 5.16 и близко к отношению микротвердостей интерме-таллидной и матричной фаз — 5.57, что находится в соответствии с соотношением Арчарда [1].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом механизм приработки при испытании на износ литого баббита сводится к диспергированию крупных интерметаллидных частиц ß-фазы, впрессовыванию частиц скола в мягкую пластичную матрицу и формированию достаточно однородного и равномерно замощенного твердыми мелкими частицами покрытия. Зависимость износа от эффективной твердости покрытия подчиняется соотношению Арчарда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.
2. Любарский И.М., Палатник И.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976. 176 с.
3. Коршунов Л.Г., Носкова Н.И., Корзников А.В., Черненко Н.Л., Вильданова Н.Ф. Влияние интенсивной пластической деформации на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.