научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА МИКРОСТРУКТУРУ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БАББИТА Б83 Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА МИКРОСТРУКТУРУ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БАББИТА Б83»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2009, том 108, № 5, с. 551-559

^^^^^^^^^^^^^^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.6'75'3:539.538

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА МИКРОСТРУКТУРУ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

БАББИТА Б83

© 2009 г. Л. Г. Коршунов*, Н. И. Носкова*, А. В. Корзников**, Н. Л. Черненко*, Н. Ф. Вильданова*

*Институт физики металлов УрО РАН, 620041, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001 Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39

Поступила в редакцию 15.12.2008 г.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации, осуществляемой при комнатной температуре методами равноканального углового прессования (РКУП) и поверхностной фрикционной обработки (ПФО), на микроструктуру, интенсивность изнашивания и коэффициент трения баббита Б83 (11.5% 8Ъ; 5.5% Си; остальное 8п). Показано, что интенсивная пластическая деформация, приводящая к уменьшению размера зерна баббита до 100-300 нм, а также к сильному измельчению частиц интерме-таллидных фаз (8п8Ъ, Си38п), обусловливает существенное (в 2-4 раза) снижение интенсивности изнашивания и уменьшение коэффициента трения пары сталь-баббит в условиях испытаний со смазкой при малой (0.07) и повышенной (4.5 м/с) скоростях скольжения. Как показали структурные исследования, выполненные с использованием сканирующей электронной микроскопии, указанное положительное влияние интенсивной пластической деформации на трибологические свойства баббита связано с формированием на поверхности деформированного баббита развитой пористости, которая улучшает условия смазки пары трения баббит-сталь за счет действия эффекта самосмазывания и, таким образом, способствует сохранению устойчивого режима граничного трения рассматриваемой пары. Образование пористости является результатом ускоренного выкрашивания твердых хрупких интерметаллидных частиц 8п8Ъ и Си38п с поверхности трения деформированного баббита, которое вызвано ослаблением и потерей связи данных частиц с пластичной матрицей (а-твердый раствор на основе олова) в ходе интенсивной пластической деформации баббита. В то же время, рассматриваемая пластическая деформация примерно в 1.6 раза повышает интенсивность изнашивания баббита в условиях сухого трении скольжения пары баббит-сталь 45, когда развивается преимущественно усталостный механизм изнашивания рассматриваемого сплава. Причиной этого является внесение в структуру баббита при его интенсивной пластической деформации многочисленных дефектов (микротрещин), снижающих сопротивление поверхностного слоя данного материала усталостному механизму изнашивания.

Ключевые слова: оловянистый баббит, интенсивная пластическая деформация, структурные превращения, трибологические свойства.

РАС8 62.20.0р,81.40.Р

Известно, что среди таких широко используемых в технике антифрикционных сплавов, как баббиты, наиболее высокими трибологическими свойствами обладают баббиты на основе олова Б89, Б83 [1, 2]. Структура данных сплавов состоит из мягкой матрицы, представляющей собой а-твердый раствор сурьмы и меди в олове, крупных кубических по форме твердых включений Р-фазы - твердого раствора на основе интерметаллида 8п8Ъ - и более дисперсных кристаллов химического соединения Си38п [1-4]. Данное строение сплавов в полной мере соответствует известному правилу Шарпи, согласно которому, структура сплава с высокими антифрикционными свойствами должна состоять из мягкой пластичной основы, обеспечивающей рас-

сматриваемому материалу хорошую прирабатыва-емость, а также крупных твердых включений второй фазы, образующих прочный каркас, который повышает несущую способность поверхности сплава и способствует снижению его коэффициента трения [4, 5]. В литературе, однако, имеются данные, свидетельствующие о том, что отвечающая правилу Шарпи структура баббитов не является оптимальной с точки зрения достижения у рассматриваемых материалов наиболее высоких трибологических свойств. Показано, например, что в результате измельчения крупных твердых частиц интерметаллидных фаз, общего рафинирования и гомогенизации структуры, достигнутых при использовании технологии распыления расплава материала в струе газа,

позволило существенно (приблизительно в 2 раза) снизить интенсивность изнашивания баббита на основе свинца (Pb74-Sn12-Sb11.5-Cu1.25-Ni0.75-С^.3-А80.2) в условиях трения скольжения без смазки в паре с высокоуглеродистой хромистой сталью (ИЯС = 58) при скоростях 0.2-1.5 м/с и нормальных нагрузках 10-70 Н [6]. Это согласуется результатами работ, свидетельствующих, что образование однородной мелкозернистой структуры с наличием ультрадисперсных частиц второй фазы позволяет достигать у износостойких цветных сплавов повышенного уровня трибологических и других физико-механических свойств [4, 7]. Так, измельчение крупных интерметаллидных частиц, присутствующих в баббитах, оказывает весьма по-ложительнее влияние на усталостную прочность и сопротивление хрупкому разрушению контактной поверхности данных материалов в процессе эксплуатации, что способствует увеличению ресурса работы подшипников скольжения, особенно в случае формирования тонкого (<0.75 мм ) слоя заливки баббита [2, 4, 8].

Показано, что интенсивная пластическая деформация, осуществляемая сдвигом под давлением в наковальнях Бриджмена, равноканальным угловым прессованием (РКУП) и другими методами деформирования, является весьма эффективным способом упрочнения и измельчения микроструктуры металлических материалов до ультрамелкозернистого и нанокристаллического уровней [9]. Поэтому, определенный практический и научный интерес представляет изучение влияния интенсивной пластической деформации на трибологические свойства баббитов и других антифрикционных цветных сплавов. В литературе данный вопрос рассмотрен пока недостаточно полно [10]. Настоящая работа посвящена исследованию влияния интенсивной пластической деформации, реализуемой методами рав-ноканального углового прессования и поверхностной фрикционной обработкой, на микроструктуру, интенсивность изнашивания и коэффициент трения баббита Б83.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом исследования служил литой промышленный баббит Б83, содержащий 11.5% (по массе) Sb и 5.5% Си (остальное - Sn). Интенсивную пластическую деформации данного материала осуществляли при комнатной температуре методом равноканального углового прессования (РКУП) и посредством поверхностной фрикционной обработки (ПФО). Равноканальному угловому прессованию подвергали заготовку литого баббита диаметром 20 мм. Усилие деформирования составляло 400 кН, угол прессования - 90°, число проходов

заготовки - 1. Дальнейшее увеличение числа проходов приводило к хрупкому разрушению заготовки, что обусловлено низкой пластичностью и вязкостью баббита Б83 [1-4]. Из деформированной методом РКУП заготовки баббита изготавливали образцы размером 7 х 7 х 15 мм для трибологических испытаний и структурных исследований. Поверхностной фрикционной обработке подвергали образцы литого баббита размером 7 х 7 х 15 мм. Торцовую поверхность образцов (0.49 см2) деформировали в условиях сухого трения скольжения цилиндрическим индентором из твердого сплава ВК-8 (диаметр 6 мм, длина 8 мм). Поверхностную фрикционную обработку осуществляли в среде аргона при скорости скольжения 0.014 м/с, нагрузке -294 Н, числе проходов индентора - 200. Данная упрочняющая обработка позволяет создавать в поверхностном слое толщиной до десяти и более микрометров самых различных металлических материалов ультрамелкокристаллические и нанокри-сталлические структуры [11]. Трибологические испытания образцов баббита проводили при трении скольжения на лабораторных установках по схемам палец-пластина и палец-диск. В случае использования схемы палец-пластина испытания выполняли при возвратно-поступательном движении образца, скользящего своей торцовой частью (7 х 7 мм) по поверхности пластины из стали 45 твердостью HRC = 50. Испытания проводили при скорости скольжения 0.07 м/с без смазки и со смазкой МС-20. При сухом трении нормальная нагрузка составляла 294 Н, при использовании смазки - 980 Н. Число проходов образца составляло 1000, путь трения -80 м. Испытания по схеме палец-диск проводили со смазкой И-30, которая подавалась в зону трения капельным методом (скорость подачи смазки - 1 капля в секунду). Материалом диска служила сталь Х12М твердостью HRC = 63-65. Скорость скольжения составляла 4.5 м/с, нагрузка - 256 Н, путь трения - 7850 м. В процессе испытаний непрерывно измеряли и регистрировали силу трения. Коэффициент трения определяли как отношение средних (за время испытания) интегральных значений силы трения к нормальной нагрузке. Интенсивность изнашивания рассчитывали по формуле Ih = AQ/pls, где AQ - потери массы образца, г; р - плотность материала образца, г/см3; s - путь трения, см. Структуру образцов исследовали методами металлографии, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии. Электронно-микроскопическое исследование выполняли на просвечивающем электронном микроскопе JEM-200CX и сканирующем электронном микроскопе Quanta 2000 (во вторичных электронах).

Рис. 1. Микроструктура баббита Б83 в литом состоянии (а) и после интенсивной деформации методом РКУП (б). Химическое травление 4% раствором ЫКОз в этиловом спирте. Сканирующий электронный микроскоп (х1000).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 и 2 приведены электронные микрофотографии структуры баббита Б83 в исходном (литом) состоянии и после интенсивной пластической деформации. При исследовании методом сканирующей электронной микроскопии для выявления структуры баббита образцы подвергали химическому травлению 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Из рис. 1а видно, что в структуре литого баббита присутствуют крупные размером до150 мкм и более выделения интерме-таллидной Р-фазы (8п8Ъ), окруженные матрицей (ОЦК-твердый раствор на основе олова). Микротвердость Р-фазы и матрицы сплава составляет 950 и 200 МПа соответственно. В анализируемом сплаве также присутствуют светлые неравноосные по форме выделения химического соединения Си38п [3]. Интенсивная пластическа

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.

Показать целиком