^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.29524:539.538
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ, УПРОЧНЕНИЕ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ НИКЕЛИДА ТИТАНА ПРИ АДГЕЗИОННОМ И АБРАЗИВНОМ ИЗНАШИВАНИИ
© 2010 г. Л. Г. Коршунов, В. Г. Пушин, Н. Л. Черненко, В. В. Макаров
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 04.12.2009 г.
Исследованы износостойкость и структурные превращения при абразивном и адгезионном изнашивании никелида титана Т149.4№50.6, находящегося в микрокристаллическом (МК) и субмикрокристаллическом (СМК) состояниях. Показано, что по абразивной износостойкости исследуемый сплав превосходит сталь 12Х18Н9 примерно в 2 раза, сталь 110Г13 (Гадфильда) — в 1.3 раза и близок к стали 95Х18. При адгезионном изнашивании в интервале температур испытания от —50 до 300°С сплав Т149.4№50.6 характеризуется в десятки раз меньшей интенсивностью изнашивания и пониженным в 1.5—2.0 раза коэффициентом трения, чем сталь 12Х18Н9. Повышенная износостойкость сплава Т149.4№50.6 обусловлена наличием у него интенсивного деформационного упрочнения и большой вязкости разрушения, являющейся следствием эффективной релаксации возникающих в поверхностном слое сплава высоких контактных напряжений. Создание в сплаве СМК-состояния с помощью равноканального углового прессования (РКУП) не влияет на абразивную износостойкость сплава. Положительный эффект РКУП на износостойкость сплава Т149.4№50.6 имеет место в условиях его адгезионного изнашивания при температурах —25...+70°С. Электронно-микроскопическое исследование показало, что в условиях изнашивания никелида титана при отрицательных и комнатной температурах в его поверхностном слое толщиной 1—5 мкм формируется смешанная структура, состоящая из аморфной фазы и нанокристаллов предположительно аустенита и мартенсита. В условиях трения при 200—300°С вблизи поверхности сплава формируется нанокристаллическая структура В2-фазы, которая, как и аморфно-нанокристаллическая структура, характеризуется значительной эффективной прочностью и износостойкостью.
Ключевые слова: сплав Т!49.4№50.6, структурные превращения при изнашивании, деформационное упрочнение, вязкость, трибологические свойства.
ВВЕДЕНИЕ
Никелид титана и сплавы на его основе, как материалы с памятью формы, получают все большее применение в технике и медицине, поскольку они обладают весьма благоприятным комплексом прочностных и пластических свойств, демонстрируют уникальные по величине и воспроизводимости эффекты термомеханической памяти, высокую коррозионную стойкостью, хорошую биологическую совместимость, высокие демпфирующие свойства [1—3]. Показано, что никелид титана и его сплавы обладают также высокими трибологически-ми свойствами. Данные материалы характеризуются большой износостойкостью в условиях воздействия кавитации, потока абразивных частиц, при фрет-тинге, трении качения, адгезионном изнашивании [4—11]. По этой причине сплавы на основе никелида титана в настоящее время рассматриваются в качестве нового класса износостойких конструкционных материалов для изделий медицинской техники, машиностроения и приборостроения [5, 9, 10]. Высокую износостойкость никелида титана и его
сплавов, обладающих сравнительно небольшой твердостью, связывают с наличием у данных материалов псевдоупругости (сверхэластичности), псевдопластичности и интенсивного деформационного упрочнения, которые обусловлены происходящими в рассматриваемых сплавах при механическом воздействии мартенситными превращениями, характеризующимися высокой обратимостью [4, 6—8]. Однако природа большой износостойкости никелида титана все же остается недостаточно выясненной. Известно, что эффекты псевдоупругости и псевдопластичности в никелиде титана ярко проявляют себя при небольших величинах пластической деформации по сравнению с теми интенсивными деформациями, которые реализуются в зоне фрикционного металлического контакта и являются ответственными за разрушение (изнашивание) контактной поверхности [12]. В условиях же интенсивного пластического деформирования, никелида титана, осуществляемого, например, прокаткой или сдвигом под давлением, в данном сплаве формируются аморфные и аморфно-нанокристаллические
структуры [13, 14, 20]. Образуются ли такого рода структуры в никелиде титана в процессе изнашивания и в какой мере они влияют на трибологические свойства данного материала пока не ясно. Не вполне ясно и поведение никелида титана при температурных условиях фрикционного нагружения, когда сплав сохраняет стабильность по отношению к мар-тенситным превращениям. Приведенные факты показывают, что структурные аспекты высокой износостойкости никелида титана остаются не достаточно изученными и нуждаются в дальнейших исследованиях.
В данной работе рассмотрено поведение микрокристаллического и субмикрокристаллического ни-келида титана в условиях изнашивания закрепленным абразивом, а также при сухом трении скольжения одноименных металлических пар в различных температурных условиях испытания. Изучены происходящие в никелиде титана при абразивном и адгезионном изнашивании структурные превращения, проведен анализ их влияния на эффективную прочность и износостойкость поверхности данного сплава.
МЕТОДИКА
Материалом исследования служил сплав Т49.4№50.6, полученный из чистых (99.99%) компонентов методом электродуговой плавки в атмосфере гелия. Содержание примесей в сплаве (мас. %): С = 0.0372; 8 = 0.0001; 02 = 0.0167; N = 0.0003. Количество включений НС и ТЦМ^^ составляло не более 0.3 об. %. Слитки после многократного переплава гомогенизировали в вакуумной печи и подвергали ковке в прутки. Прутки отжигали при 800°С (1 ч) и закаливали в воде. После указанной обработки сплав имел полиэдрическую структуру В2-фазы со средним размером зерен 20—30 мкм. Для получения субмикрокристаллического состояния прутки сплава Т49.4№50.6 длиной 120 мм и диаметром 20 мм подвергали равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температуре 450°С (угол пересечения каналов 110°, число проходов — 8). Трибо-логические испытания сплава проводили в условиях абразивного и адгезионного изнашивания. Абразивное изнашивание осуществляли при скольжении (возвратно-поступательном движении) образцов размером 15 х 9 х 3 мм (рабочая поверхность 9 х 3 мм) сплава по поверхности закрепленного абразива — шкурки марки 14А16 НМ (электрокорунд зернистостью 160 мкм). Нагрузка составляла 49 Н, скорость скольжения — 0.18 м/с, величина поперечного смещения шкурки за один двойной ход образца — 1.2 мм, путь трения — 17.6 м. В процессе испытания прирост температуры образца на расстоянии 0.5 мм от поверхности изнашивания не превышал 30°С. Абразивную износостойкость б определяли по формуле б = АМэ/АМм, где АМэ и АМм потери массы эталона (армко-железо) и материала соот-
ветственно. Удельную работу (энергию) Ж-абра-зивного изнашивания материала определяли по формуле: Ж = /Ж^р/АМм, где / — коэффициент трения; N — нормальная нагрузка, Н; S — путь трения, м; р — плотность материала образца, г/см3; АМм- потери массы образца, г Параллельно со сплавом Т49.4№50.6 для сравнения испытывали стали 12Х18Н9, 110Г13 (Гадфильда) и 95Х18. Стали 12Х18Н9 и 110Г13 после горячей деформации (ковки) подвергали закалке от 1100°С в воде; сталь 95Х18 закаливали от 1050°С в масле и затем отпускали при 200°С (2 ч). Испытание сплава Т49.4№50.6 в условиях адгезионного изнашивания выполняли по схеме плоский индентор — пластина при возвратно-поступательном скольжении индентора размером 15 х 9 х х 3 по пластине размером 20 х 10 х 4 мм. Трение одноименных пар скольжения осуществляли без смазки в нейтральной среде газообразного азота (марка ОСЧ 1-й сорт) при различных температурах испытания — от —50 до +300°С. Скорость скольжения составляла 0.015 м/с, нагрузка — 196 Н, путь трения индентора и пластины — 2000 и 1400 см соответственно. Фрикционный нагрев контактирующих поверхностей практически отсутствовал вследствие малой скорости скольжения. Интенсивность адгезионного изнашивания образцов (ин-денторов и пластин) 1Н рассчитывали по формуле: 1Н = ДМы/рSq, где АМм — потери массы образца, г; р — плотность материала, г/см3; S — путь трения, см; q — геометрическая площадь контакта, см2. Интенсивность изнашивания одноименной пары трения 1Н определяли как сумму интенсивностей изнашивания индентора и пластины (1Н = /^индентора + + !^пластины). Параллельно с парой трения сплава Т49.4№50.6 в тех же условиях испытывали также одноименную пару нержавеющей аустенитной стали 12Х18Н9, претерпевающей при пластической деформации мартенситное у —► а-превращение и имеющей близкий с никелидом титана уровень твердости. Использование одноименных пар трения позволило предотвратить неизбежного при трении разнородных материалов изменения химического состава исследуемого материала в результате переноса на его поверхность вещества контртела. Испытания в нейтральной газовой среде (азот) предотвращало влияние кислорода воздуха на прочность и износостойкость металлических поверхностей [15].
Структуру материалов исследовали с использованием металлографического, рентгеновского, электронно-микроскопического (просвечивающая и сканирующая микроскопия) методов анализа [12, 15-17].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура и механические свойства сплава Т49.4№50.6 после термообработки и после РКУП ранее была описана в работе [18]. После закалки от 800°С сплав имел полиэдрическую структуру со
Рис. 1. Электронно-микроскопические светлопольные (а, г) и темнопольное (б) изображения структуры РКУП сплава Т!49.4№50.6 в продольном сечении и соответствующие точечные электронограммы (в, д); г, д — мартенсит, полученный в сплаве при охлаждении до —50°С в колонке электронного микроскопа.
Рис. 2. Электронно-микроскопические светлопольное (а) и темнопольное (в) изображения структуры РКУП сплава Т!49.4№50.6 в поперечном сечении с соответствующими кольцевыми электронограммами; б — мартенсит, полученный в сплаве при охлаждении в колонке микроскопа до —50°С .
средним размером зерен 20—30 мкм. В результате интенсивной пластической деформации размер кристаллов в сплаве уменьшился до 0.2—0.3 мкм (т.
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.