Изучение структурных изменений поверхностных слоев алюминиевых сплавов на основе системы Al–Si–Cu при их деформации в процессе трения

В работе изучены экспериментальные антифрикционные алюминиевые сплавы на основе системы Al–5%Si–4%Cu с добавлением легкоплавких компонентов Bi, Pb, In и Cd. Подобран оптимальный режим термообработки, включающий закаливание при температуре 500 °С с дальнейшим старением при 175 °С. Проведены трибологические испытания по схеме колодка–ролик (исследуемый материал – Сталь 45) при давлениях 0,5, 1,0 и 2,0 МПа, моделирующие работу подшипникового узла. Показано, что все экспериментальные сплавы обладают близкими трибологическими свойствами, однако их механические характнристики, в частности показатели твердости, различаются. Наибольшее ее значение имеет сплав, содержащий кадмий. Электронно-микроскопическим методом исследованы поверхности колодки и ролика из этого материала до и после трибологических испытаний: изучена топография и определен элементный состав. Выявлен процесс активного массопереноса в контактной зоне при трении. При этом на ролике обнаружено формирование пленки вторичных структур и определены ее параметры: неравномерный характер расположения на поверхности и развитый рельеф, максимальная толщина которого достигает 200 мкм. Показано, что при использованных режимах трения такая пленка способствует образованию задира. Установлено, что задир для всех экспериментальных сплавов наступает после испытаний при давлении выше 1 МПа. Проведенное наноиндентирование колодки (с нагрузками от 10 до 100 мН) показало увеличение твердости в приповерхностном слое толщиной около 30 мкм. Это может быть связано с упрочнением материала в результате возникновения пластических деформаций в зоне трения.

1. Горячева И.Г., Курбаткин И.И., Буше Н.А. Моделирование процессов образования пленки вторичных структур и исследование ее свойств. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. No. 4. С. 51—58.

2. Курбаткин И.И., Муравьева Т.И. Процессы образования вторичных структур и их влияние на трибологические свойства подшипников скольжения. Трение и смазка в машинах и механизмах. 2012. No. 1. С. 38—44.

3. Mironov A., Podrabinnik P., Kuznetsov E. Secondary structures as self-organization processes and finishing treatment of friction surfaces of slide bearings and shafts. Mater. Today: Proc. 2019. Vol. 11. Pt. 1. P. 197—202.

4. Gongjun Cui, Qinling Bia, Shengyu Zhua, Jun Yanga, Weimin Liu. Tribological behavior of Cu—6Sn—6Zn—3Pb under sea water, distilled water and dry-sliding conditions. Tribol. Inter. 2012. Vol. 55. P. 126—134.

5. Singh J.B., Cai W., Bellon P. Dry sliding of Cu—15 wt%Ni— 8 wt%Sn bronze: Wear behaviour and microstructures. Wear. 2007. Vol. 263. Iss. 1-6. P. 830—841.

6. Straffelini G., Maines L., Pellizzari M., Scardi P. Dry sliding wear of Cu—Be alloys. Wear. 2005. Vol. 259. Iss. 1-6. P. 506—511.

7. Миронов А.Е., Гершман И.С., Овечкин А.В., Гершман Е.И. Сравнение задиростойкости новых антифрикционных алюминиевых сплавов и традиционных антифрикционных бронз. Трение и износ. 2015. Т. 36. No. 3. С. 334—339.

8. Буше Н.А. Миронов А.Е., Маркова Т.Ф. Новый алюминиевый сплав, заменяющий традиционные материалы. Железные дороги мира. 2003. No. 11. С. 44—47.

9. Sheng-cheng Zhang, Qing-lin Pan, Jie Yan, Xing Huang. Effects of sliding velocity and normal load on tribological behavior of aged Al—Sn—Cu alloy. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2016. Vol. 26. Iss. 7. P. 1809—1819.

10. Bekir Sadık Ünlüa, Hülya Durmuşa, Selda Akgünb. Tribological and mechanical properties of Al alloyed bearings. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 487. No. 1-2. P. 225—230.

11. Kerni L., Raina A., Haq M.I.U. Performance evaluation of aluminium alloys for piston and cylinder applications. Mater. Today: Proc. 2018. Vol. 5. Iss. 9. Pt. 3. P. 18170— 18175.

12. Vencl A., Rac A. Diesel engine crankshaft journal bearings failures: Case study. Eng. Failure Anal. 2014. Vol. 44. P. 217—228.

13. Summera F., Grüna F., Offenbecherb M., Taylorc S. Challenges of friction reduction of engine plain bearings — Tackling the problem with novel bearing materials. Tribol. Inter. 2019. Vol. 131. P. 238—250.

14. Haque M.M., Sharif A. Study on wear properties of aluminium—silicon piston alloy. J. Mater. Proc. Technol. 2001. Vol. 118. Iss. 1-3. P. 69—73.

15. Bertelli F., Freitas E.S., Cheung N., Maria A. Arenas M.A., Conde A., de Damborenea J., Garcia A. Microstructure, tensile properties and wear resistance correlations on directionally solidified Al—Sn—(Cu; Si) alloys. J. Alloys Compd. 2017. Vol. 695. P. 3621—3631.

16. Белов Н.А., Михайлина А.О., Алабин А.Н., Столярова О.О. Расчетно-экспериментальное изучение фазовой диаграммы Al—Cu—Si—Sn в области алюминиевых сплавов. МиТОМ. 2016. No. 4. С. 11—17.

17. Белов Н.А., Столярова О.О., Яковлева А.О. Влияние свинца на структуру и фазовый состав литейного сплава Al—5%Si—4%Cu. Металлы. 2016. No. 2. С. 35—44.

18. Яковлева А.О., Белов Н.А., Базлова Т.А., Шкалей И.В. Влияние легкоплавких металлов (Pb, Bi, Cd, In) на структуру, фазовый состав и свойства литейного сплава Al—5%Si—4%Cu. Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. No. 1. С. 36—44.

19. Медведева С.В., Золоторевский В.С., Яковцева О.А. Повышение механических свойств отливок из медистых силуминов, полученных литьем в песчаные формы. МиТОМ. 2018. No. 9. С. 8—13.

20. Золоторевский В.С. Термическая обработка. Сплавы. Т. II. М.: МИСиС, 2009.

21. Фридляндер И.Н. Закономерности изменения свойств алюминиевых сплавов при старении. МиТОМ. 2003. No. 9. С. 8—11.

22. Столярова О.О., Муравьева Т.И., Загорский Д.Л., Белов Н.А. Микроскопия в исследовании поверхности многокомпонентных антифрикционных алюминиевых сплавов. Физ. мезомеханика. 2016. Т. 19. No. 5. С. 105—114.