Исследование вторичных структур на поверхности трения сложнолегированных алюминиевых сплавов и их влияния на трибологические свойства

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования,
определены цель, задачи, объект, предмет и методы исследования, раскрыта науч- ная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приведены результаты обзора научно-технической литера- туры, касающейся процесса трения в узле «подшипник скольжения – вал». Рас- смотрены существующие условия трения и типы подшипников. Последние, как правило, классифицируются по количеству слоев. С технологической точки зрения изготовление монометаллических подшипников предпочтительнее ввиду меньшей трудоемкости, однако, у би- и триметаллических исполнений лучше трибологиче- ские свойства. Получение монометаллических подшипников скольжения (МПС) с повышенными эксплуатационными свойствами является нетривиальной задачей, так как требует сочетания в материале подшипника ряда взаимоисключающих ме- ханических и трибологических свойств.
Рассмотрены существующие антифрикционные материалы на основе метал- лов, такие как баббиты, бронзы, латуни, алюминиевые сплавы. Показано, что при- менение сплавов на основе алюминия вместо бронз для изготовления монометал- лических подшипников скольжения является перспективным направлением, бла- годаря лучшим трибологическим свойствам, меньшей стоимости материалов и их обработки. Однако механические характеристики существующих алюминиевых сплавов не позволяют применять их для изготовления МПС в двигателях внутрен- него сгорания. Применяемые для МПС алюминиевые сплавы уступают бронзам и латуням по механическим свойствам и несущей способности.
На основе данных в открытых источниках были проанализированы различ- ные системы сплавов, оценено возможное влияние отдельных легирующих эле- ментов и их концентрации на свойства материалов. Общим признаком антифрик- ционности в большинстве работ является присутствие мягкой фазы – олова и/или свинца – в микроструктуре материала, которые, распределяясь по поверхности, реализуют эффект «твердой смазки».
Важной особенностью при трении является формирование на поверхности трения вторичных структур – совокупность прошедших изменений различной природы в материале на трущейся поверхности. С термодинамической точки зре- ния, основным процессом при трении является преобразование и рассеяние энер- гии. В работах Л.И. Бершадского и B.E. Klamecki были использованы концепции неравновесной термодинамики и самоорганизации для описания процессов при трении. Самоорганизация при трении – это процесс формирования диссипативных структур, рассеивающих сообщаемую телу энергию. Данное явление возможно только, если материал находится в неравновесном состоянии. При инициации са- моорганизации могут протекать несамопроизвольные процессы, в том числе три- бохимические, направленные на снижение износа материала за счет увеличения отрицательного производства энтропии. В данном контексте вторичные структу- ры могут рассматриваться как результат протекания диссипации энергии, а их ис- следование является важным для выявления процессов, позволяющих снижать из- нос при трении. Из приведенных в обзоре данных также следует, что репрезента- тивными могут считаться только эксперименты, наиболее приближенные к реаль- ным условиям эксплуатации узла трения «подшипник скольжения – вал».
В результате проведенного анализа литературы была обоснована цель рабо- ты, поставлены задачи, выбраны методы исследования и определена система алю- миниевого сплава для изготовления.
Во второй главе приведено описание методов и материалов, применяемых в работе. Также представлены данные по предварительно проведенным испытани- ям механических свойств полученных алюминиевых сплавов в сравнении с вы- бранной референсной бронзой БрО4Ц4С17. Согласно полученным результатам все сплавы продемонстрировали свойства на уровне бронзы либо превзошли ее.
Для исследования на первом этапе были применены четыре эксперимен- тальных алюминиевых сплава системы Al-Sn-Pb-Cu-Zn-Mg-Si-Ti, полученные ме- тодом литья с последующей термообработкой (таблица 1). Легирование оловом от сплава к сплаву постепенно снижалось. Содержание цинка и магния также варьи- ровалось, но не превышало предел растворимости в алюминии. Концентрация ос- новных компонентов и примесей в объеме сплавов определялось с помощью опти- ческого эмиссионного спектрометра «Spectrolab – S» (Австрия). Механические свойства сплавов представлены в таблице 2.
Трибологические испытания проводились по кинематической схеме вал- колодка на машине трения СМЦ-2 для моделирования наиболее приближенных условий трения в реальном узле «подшипник-вал» (рисунок 1).
Таблица 1. Состав экспериментальных алюминиевых сплавов первой серии
No Марка п/п сплава
1 АО-11 2 АО-9,8 3 АО-9,6 4 АО-8,7
No Сплав п/п
1 АО-11
2 АО-9,8
3 АО-9,6
4 АО-8,7
5 БрО4Ц4С17
Содержание элементов, % масс.
Примеси, % масс. Fe
Sn Pb Cu Zn Mg
11,0 2,6 3,9 2,6 0,0 9,8 2,5 4,5 2,4 1,2 9,6 3,2 4,9 4,4 0,3 8,7 3,2 3,4 2,9 0,4
Si Al Ti
0,1 ост. 0,04 0,2 0,6 ост. 0,03 0,3 0,1 ост. 0,02 0,3 0,5 ост. 0,03 0,1
Таблица 2. Механические свойства экспериментальных сплавов
Сопротивление при Твердость, растяжении, σв, МПа HB
173 59
163 74
185 63
168 60
148 65
Отн. удли- нение, % 2,9
0,3
3,8
5,5
8,8
Ударная вязкость KCU, кДж/м2 121
50
40
Рисунок 1. Кинематическая схема проведения трибологических испытаний 8

В качестве смазки использовалось масло М14В2, которое подавалось ка- пельным способом для реализации граничного трения. Данный вид трения был выбран для интенсификации трения и повышения вероятности выхода материала из равновесного состояния, а, следовательно, и образования вторичных структур. Проводились испытания на прирабатываемость, задиростойкость и интенсивность изнашивания. При проведении испытаний на интенсивность изнашивания образцы сначала проходили приработку в течение 30 минут при нагрузке 304 Н, затем очищались, взвешивались и снова устанавливались в машину трения на 40 часов при постоянной скорости вращения 500 об/мин, нагрузка 1500 Н. Для каждого ма- териала проводилось не менее трех испытаний для проведения статистической об- работки результатов.
Исследование исходной микроструктуры, поверхности трения и подповерх- ностного слоя образцов проводилось на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Tescan Vega 3, оснащенном модулем для энергодисперсионного анализа (ЭДС) X-Act. Полученные образцы алюминиевых сплавов исследовались методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометре Thermo Scientific K-alfa для подтверждения состава и установления образованных связей. Исследование фазового состава проводилось методом рентегнодифракционного анализа (РФА) на дифрактометре Bruker D8 Advance с применением монохрома- тического излучения Cu Kα по схеме Брэгга-Брентано. После трибологических ис- пытаний все образцы промывались от остатков смазки водой и тетрахлорметаном, а перед непосредственным исследованием дополнительно проходили очистку в ультразвуковой ванне с химически чистым ацетоном. Методом инфракрасной спектроскопии на спектрометре Vertex 70 было исследовано масло М14В2 и опре- делены элементы присадок.
Кроме химического анализа поверхности трения контролировалась также шероховатость профилографом-профилометром Hommelwerke T8000 (Hommelwerke GmbH, Швеннинген, Германия).
В третьей главе представлены результаты трибологических испытаний об- разцов АО-11, АО-9,8, АО-9,6, АО-8,7. Все образцы оказались лучше бронзы БрО4Ц4С17 по прирабатываемости, задиростойкости и показателям износа сталь- ного контртела. По коэффициенту трения и линейному износу бронзу превзошел только сплав АО-9,8. Для оценки влияния элементов сплава на формирование вто- ричных структур были исследованы методом СЭМ и ЭДС поверхности трения до и после трибологических испытаний. В отличие от других материалов сплав АО- 9,8 имел на поверхности трения наибольшее содержание олова: 4,7 % масс. до тре- ния и 3,2 % масс. после испытаний. Также на поверхности трения наблюдается по- вышение содержания цинка и магния. В частности, в сплаве АО-9,8 концентрация цинка увеличилась в 6 раз с 0,3 % до 1,8 %, а магния – в 3 раза с 0,2 % до 0,6 %.
На основе полученных результатов испытаний трибологических свойств сплавов АО-11, АО-9,8, АО-9,6 и АО-8,7 и элементного состава их вторичных структур на поверхности трения было выплавлено еще 4 сплава той же системы (таблицы 3 и 4). В данных сплавах была еще снижена концентрация олова, умень- шено содержание цинка и увеличено легирование магнием. Механические свой- ства алюминиевых сплавов второй серии плавок также не допустили значительно- го ухудшения свойств по сравнению с бронзой БрО4Ц4С17.
No Марка п/п сплава
Таблица 3. Состав алюминиевых сплавов второй серии
Содержание элементов, % масс. Примеси, % масс.
Sn Pb Cu
Zn Mg Si Al Ti Fe
0,5 0,07 1,0 ост. 0,05 0,1 1,9 1,4 0,9 ост. 0,03 0,2 2,3 1,5 1,5 ост. 0,04 0,1 2,3 1,7 0,8 ост. 0,04 0,1
1 АО-7,6 7,6 3,3 4,0
2 АО-6,4 6,4 3,0 4,1
3 АО-5,8 5,8 2,7 4,1
4 АО-5,4 5,4 2,6 3,5
Таблица 4. Механические свойства алюминиевых сплавов второй серии
Временное сопротивление при растяжении, σв, МПа
Твердость, HB
Отн. удли- нение, %
Ударная вяз- кость KCU, кДж/м2
No Марка п/п сплава
1 АО-7,6 2 АО-6,4 3 АО-5,8 4 АО-5,4
Механические свойства
159 50 4,0 45 139 55 2,3 35 140 55 1,9 24 144 53 2,9 32
В четвертой главе представлены результаты трибологических свойств алюминиевых сплавов второй серии плавок. Полученные сплавы также показали высокие значения задиростойкости и приработки. Три сплава из четырех второй серии плавок превзошли три сплава кроме АО-9,8 первой серии по износостойко- сти. Сводные данные по трибологическим свойствам всех сплавов приведены в таблице 5. Для ряда образцов при испытаниях фиксировались нехарактерные для них скачки уменьшения момента трения при увеличении нагрузки, свидетель- ствующие о возможном протекании изменений на поверхности трения (рисунок 2).
Таблица 5. Трибологические свойства алюминиевых сплавов
Трибологические свойства
Задиро- стойкость, Н
Прирабаты- ваемость, мм2
Износ матери- ала, мг
Износ стали, мг
Коэфф. трения
Температура образца t, оС
No Марка п/п сплава
1 БрО4Ц4С17 1081
2 АО-11 1650 3 АО-9,8 2832 4 АО-9,6 2107 5 АО-8,7 2407
6 АО-7,6 1823 7 АО-6,4 2767 8 АО-5,8 2330 9 АО-5,4 2845
39,2 2,7 4,0 Среднеоловянистые сплавы
49,8 1,2 0,6 57,8 0,7 0,7 42,8 2,0 2,1 50,0 2,4 0,8
Низкооловянистые сплавы
46,8 0,5 0,8 53,0 0,9 1,0 39,7 0,4 0,6 49,7 0,5 0,7
0,016 38
0,020 33 0,015 31 0,019 37 0,022 32
0,026 42 0,014 38 0,018 40 0,017 36
10

Рисунок 2. Зависимость изменения площади контакта (а), момента трения (б) и температуры образца (в) сплава АО-9,8, АО-5,8 и бронзы БрО4Ц4С17 от нагрузки приработки
По полученным данным было оценено влияние легирующих элементов сплава на трибологические свойства. Значения износа, в целом, коррелируют с со- держанием мягких структурных составляющих (МСС), указывая на основной меха- низм изнашивания – расходование олова и свинца, составляющих мягкие включе- ния. Медь и кремний, образующие твердые включения, обладают большей твердо- стью в сравнении с другими компонентами сплава, вследствие чего увеличение их содержания в составе сплава повышает износостойкость и создает маслоудержива- ющий рельеф. С увеличением содержания магния в составе сплавов также имеется тенденция к снижению износа. Таким образом, показано, что содержание основных легирующих элементов (олово, свинец) оказывает влияние на трибологические ха- рактеристики до определенного предела, а также вносят основной вклад в массовый износ материала. В многокомпонентных алюминиевых сплавах на трибологические свойства оказывает влияние не только содержание мягких структурных составляю- щих, но и синергетическое действие легирующих элементов.
На основе полученных результатов были изготовлены опытные монометал- лические подшипники скольжения из сплава АО6С3М4ЦТ для стендовых испыта- ний в составе серийного турбокомпрессора ТК33Н-02. В результате успешных ис- пытаний подшипники были рекомендованы для дальнейших ресурсных испытаний.
Пятая глава посвящена исследованию исходной микроструктуры экспери- ментальных алюминиевых сплавов. Из восьми исследованных материалов были выбраны два образца, показавшие худшие и лучшие результаты в ходе трибологи- ческих испытаний. За критерий были взяты износ материала образца и износ стального контртела. По совокупности показателей сплав АО-8,7 был выбран в ка- честве худшего, а сплав АО-5,8 – лучшего.
Выбранные сплавы имеют один набор легирующих компонентов, вслед- ствие чего их микроструктуры существенных качественных отличий не имеют, но отличаются по количественному содержанию. Алюминиевые антифрикционные сплавы были получены методом литья с последующим отжигом, за счет чего находились в равновесном состоянии в соответствии с диаграммами состояний.
Процесс трения на микроуровне можно представить как трение множества отдельных локальных участков, различных по механическим свойствам и химиче- ским составам. Таким образом, локально обеспечиваются различные условия для формирования вторичных структур, и, как следствие, их состав может существен- но отличаться при переходе от одной структурной зоны к другой. В связи с этим были отдельно проанализированы все типы включений. При легировании алюми- ния оловом, свинцом, медью, магнием, кремнием и цинком структура литых спла- вов обычно состоит из зерен твердого раствора алюминия с магнием, цинком, кремнием и медью, по границам которых располагается ограниченная сетка вклю- чений на основе меди (CuAl2) и кремния (рисунок 3). Мягкие структурные состав- ляющие различного размера, располагающиеся в пространстве между зернами алюминия, имеют разнообразный состав, как на качественном (наличие или отсут- ствие магния), так и на количественном (различное соотношение олова и свинца) уровне. Цинк и магний распределены в сплаве равномерно, отдельных включений и зон повышенной концентрации не образуют.
В шестой главе представлены результаты исследования поверхности трения и подповерхностного слоя сплавов АО-5,8 и АО-8,7 методами СЭМ, ЭДС, РФЭС, РФА. Проанализировано влияние легирующих элементов на состав образующихся вторичных структур и трибологические свойства сплавов.
Поверхность сплава АО-5,8 подверглась значительным изменениям в резуль- тате трения. Отмечается значительное количество олова и свинца, распределенных по поверхности, что свидетельствует о реализации механизма «твердой смазки». Изменения структуры поверхности трения сопровождаются также изменениями в элементном составе (таблица 6). Отмечается количественное увеличение олова и свинца вследствие большей занимаемой площади по сравнению с исходным состо- янием. Из-за блокирования пленкой МСС сигналов нижележащих структур наблю- дается снижение содержания алюминия, меди, кремния, цинка. Несмотря на мно- гоступенчатую очистку образцов, на поверхности значительно увеличилось коли- чество углерода и кислорода вследствие полимеризации смазки и окисления. В сплаве АО-5,8 в два раза увеличилось содержания магния на поверхности.
Рисунок 3. Характерная микроструктура экспериментальных алюминиевых сплавов 12

Таблица 6. Элементный состав поверхности трения сплава АО-5,8 при увеличении ×500 крат, полученный методом ЭДС
No Объект ис- п/п следования
Элементный состав, % масс.
Al Sn Pb Cu Si Zn Mg C O Fe S Ca
1 Поверхность 77,7 3,7 2,1 2,9 1,8 2,2 0,3 5,1 3,9 – – – до трения
2 Поверхность 39,5 3,9 4,7 2,0 0,4 1,5 0,6 31,3 15,5 0,2 0,3 0,1 после трения
3 Изменение 50,8 105,4 223,8 69,0 22,2 68,2 200 611,8 397,4 – – – содержания, %
Для выявления закономерностей образования вторичных структур на дан- ном участке были получены карты распределения обнаруженных элементов (ри- сунок 4), где видно, что в ряде случаев распределение носит неслучайный харак- тер. Карты распределения свинца и серы практически полностью совпадают. При количественном ЭДС анализе была зафиксирована пропорциональная зависимость концентрации серы от содержания свинца на данных участках. По сравнению с исходным состоянием, отчетливо видно выделение магния, который до этого находился в матрице и МСС примерно в равном количестве и зон повышенной концентрации не образовывал. Концентрация магния в таких участках достигала 13%. Все выделения магния независимо от размера одновременно обогащены уг- леродом и кислородом. Углерод, в свою очередь, присутствует практически на всей поверхности сплава, однако его концентрация не постоянна и отличается в локальных участках. Распределение цинка в сплаве АО-5,8 осталось равномерным.
Рисунок 4. Снимок участка сплава АО-5,8 при увеличении ×500 крат (а) и карты распределения элементов на данном участке (б-м)
13

Отличия по составу подповерхностного слоя и материала, неподверженного влиянию трения, продемонстрированы при исследовании изменения концентрации вдоль линии, перпендикулярной к поверхности трения. Содержание алюминия по- степенно снижается относительно исходного своего состояния. Обеднение происхо- дит на расстоянии 4-6 мкм от поверхности трения. Такое изменение содержания алюминия обусловлено, во-первых, его постепенным изнашиванием в ходе испыта- ний, во-вторых, увеличением в исследуемом объеме материала доли других компо- нентов сплава. Медь непосредственно на границе анализируемого участка характери- зуется резким увеличением содержания. Цинк и магний имеют схожий характер из- менения кривых, заключающийся в увеличении их содержания у поверхности. Угле- род и кислород также обладают повышенной концентрацией у поверхности трения.
На косом шлифе образца сплава АО-5,8 благодаря МСС, являющиеся мар- керами деформаций, отчетливо видна граница слоя, оказавшегося под влиянием трения (рисунок 5). Непосредственно граница перехода в глубине сплава пред- ставляет собой цепочку включений θ-фазы ввиду их большего сопротивления сдвиговым нагрузкам. Сам слой имеет толщину ~ 30 мкм, что соответствует ре- альной толщине 3-4 мкм. Для сплава АО-8,7 толщина деформированного слоя больше, но не превышает 5 мкм. Твердость такого деформированного слоя в сред- нем возрастает на 10-20 %. Матрица сплава АО-5,8 в исходном состоянии имела твердость 283 HV , а деформированный слой – 314 HV . Наиболее характерным свидетельством формирования тонкой полимеризовавшейся пленки вторичных структур на поверхности является насыщенный углеродом слой, расположенный равноудаленно от границы поверхности трения, повторяя ее контур.
Рисунок 5. Косой шлиф сплава АО-5,8 (а) и карты распределения алюминия (б), олова (в), магния (г), цинка (д), углерода (е) на данном участке
Поверхность трения сплава АО-8,7, обладающего наиболее низкой износо- стойкостью, отличается от поверхности трения сплава АО-5,8. Несмотря на боль- шее содержание олова и свинца в исходном состоянии сплава АО-8,7, после трибо- логических испытаний на поверхности МСС практически не обнаруживаются. В основном на поверхности преобладают твердые медные включения в алюминиевой матрице. Свинцовые и оловянные структурные составляющие представляют собой небольшие участки включений величиной до 50 мкм без какого-либо упорядочен- ного распределения по поверхности трения. Отсутствие пленки МСС на поверхно- сти привело к увеличению очагов схватывания и возникновению большего числа глубоких борозд. Вместе с этим образец сплава АО-8,7 характеризуется наличием достаточно большого количества полостей, где ранее присутствовали олово и сви- нец. В пользу этого заключения говорит и присутствие зерен алюминиевой матри- цы, имеющими правильную недеформированную форму, представляя собой исход- ную микроструктуру в трехмерном виде (рисунок 6). Таким образом, расход МСС в процессе трения является главной составляющей массового износа сплава АО-8,7.
Данные СЭМ и ЭДС анализа свидетельствуют о существенных отличиях в образовании вторичных структур на поверхности трения сплава АО-8,7 от сплава АО-5,8 (таблица 7).
Рисунок 6. Полость, образованная в результате трения на поверхности сплава АО-8,7
Содержание олова и свинца в сплаве АО-8,7 снизилось на 32,5 % и 72,3 % соответственно, в то время как в сплаве АО-5,8 на поверхности было обнаружено на 5 % и 123 % больше этих металлов по сравнению с исходным значением. Со- держание меди в сплаве АО-8,7 после испытаний повысилось примерно на 12 %. Визуально включений θ-фазы на единицу площади больше, чем в сплаве АО-5,8, где снижение этого элемента составило 31 % против увеличения 12 % в сплаве АО-8,7. Значительно, в 8,4 раза, возросла концентрация цинка, в то время как со-
держание магния осталось неизменным. Полученные результаты подтверждаются визуально при исследовании характерного участка трения сплава АО-8,7 (рисунок 7). Распределение олова и свинца по поверхности гораздо менее выражено. Отсут- ствуют зоны повышенной концентрации магния, но отмечается их наличие для цинка. Концентрация цинка в таких участках достигает 9 %.
Таблица 7. Элементный состав поверхности трения сплава АО-8,7 при увеличении ×500 крат, полученный методом ЭДС
No Объект п/п исследования
Элементный состав, % масс.
Al Sn Pb Cu Si Zn Mg C O Fe S Ca
1 Поверхность 83,4 4,0 3,3 4,0 1,0 0,5 0,1 4,7 3,53 – – – до трения
2 Поверхность 49,2 2,7 0,9 4,5 0,25 4,2 0,1 19,0 17,6 1,4 0 0,2 после трения
3 Изменениесо- 59,0 67,5 27,7 112,5 25 840 100 404,3 498,6 – – – держания, %
Рисунок 7. Снимок участка сплава АО-8,7 при увеличении ×500 крат (а) и карты распределения элементов на данном участке (б-м)
В подповерхностном слое сплава АО-8,7, как и в случае с АО-5,8, концен- трация алюминия у поверхности трения снижается в виду увеличения доли других
16

элементов. Количество магния в подповерхностном слое увеличено незначительно относительно основного объема матрицы, незатронутого трением. Концентрация цинка начинает плавно увеличиваться за 40 мкм до поверхности трения. Особен- ностью этого процесса в сплаве АО-8,7 является двухэтапное увеличение концен- трации: постепенное возрастание с уменьшением расстояния до поверхности тре- ния и небольшой, но резкий скачок непосредственно у поверхности трения. Такой характер изменения кривой указывает на более сложный принцип формирования Zn-насыщенных вторичных структур в матрице сплава АО-8,7, чем в сплаве АО- 5,8. При этом другой механизм – насыщение магнием – практически не реализован.
Для подтверждения результатов ЭДС и выявления имеющихся соединений во вторичных структурах был проведен РФЭС-анализ (рисунок 8). Элементный состав вторичных структур представлен в таблице 8.
Полученные данные, в целом, согласуются с результатами ЭДС-анализа. Содержание алюминия на поверхности трения сплавов АО-5,8 и АО-8,7 практиче- ски одинаково и составляет 11,72 % и 11,62 % соответственно. Значительно отли- чается содержание олова и свинца: за счет распределения по поверхности в сплаве АО-5,8 было обнаружено 12,44 % олова и 15,68 % свинца. В сплаве АО-8,7 содер- жание олова составило 1,10 %, что в 12 раз меньше показателя сплава АО-5,8 и также указывает на его активное расходование при трении. Свинец лучше проявил свойства твердой смазки, ввиду чего присутствует в количестве 9,02 % и 15,68 % в АО-8,7 и АО-5,8 соответственно. При этом на поверхности было обнаружено 2,77 % цинка, что в 2 раза больше, чем в сплаве АО-5,8. С другой стороны, на поверх- ности трения сплава АО-5,8 значительно больше магния (4,27 % против 0,54 %). Это указывает на различный характер процессов формирования вторичных струк- тур на сплавах. Концентрация другого компонента сплава – меди – в АО-5,8 в 3 раза ниже, чем в сплаве АО-8,7 (1,08 % и 3,28 % соответственно), что указывает на большое значение твердых включений по правилу Шарпи.
Рисунок 8. Обзорные РФЭС-спектры поверхностей трения сплавов АО-5,8 и АО-8,7 17

Таблица 8. Состав вторичных структур сплавов, полученный методом РФЭС
Элементный состав, % масс.
Сплав
АО-5,8 29,9 16,2 15,6 12,4 11,7 4,2 1,0 1,0 0,8 0,5 4,6 0,4 0,5 0,3 0,2 АО-8,7 43,4 23,1 9,0 1,1 11,6 0,5 2,7 3,2 1,6 1,0 0,6 0,6 0,7 0,2 0,2
Всего в исходном состоянии было обнаружено 16 соединений. После трения во вторичных структурах было зафиксировано присутствие 24 соединений. Ново- образованиями становились соединения и элементы Al-OC, C-O, C=O, O=C-O, PbS, Zn, Mg, MgCO3. Присутствие металлического цинка и магния на поверхности было подтверждено РФЭС-спектрами высокого разрешения (рисунок 9). Получен- ные данные свидетельствуют о том, что формирование вторичных структур может происходить по-разному. Значительная разница видна на РФЭС-спектрах олова, свинца, магния и цинка.
Особенностью, обнаруженной в сплаве АО-5,8, стало формирование суль- фида свинца PbS, подтвержденное результатами исследований. Термодинамиче- ский расчет данного соединения показал, что его образование сопровождается снижением энергии Гиббса, а сама реакция является спонтанной. Тем не менее, прохождение такой реакции свидетельствует о неравновесном состоянии поверх- ностности трения и нижележащих слоев, в результате чего возрастает химическая активность элементов, и появляются соединения, которые не образуются при дан- ных условиях в стационарном состоянии. Это характерно также для формирования карбоксида алюминия и оксидов нестехиометрического состава.
C O Pb Sn Al Mg Zn Cu Fe Si S Na Cl Ca K
Рисунок 9. Спектры высокого разрешения олова, свинца, цинка и магния 18

Алюминиевые сплавы были получены литьем с медленным охлаждением с последующим отжигом, в результате чего получившийся твёрдый раствор алюми- ния, куда входил, в том числе, магний, находился в равновесном состоянии в соот- ветствии с диаграммой состояния. Растворимость магния в алюминии согласно диа- грамме состояния при нормальных условиях составляет около 5 %. Таким образом, обнаруженные области высокого содержания магния являются результатом про- хождения несамопроизвольных процессов. Такие процессы сопровождаются отри- цательным производством энтропии и, являясь частью диссипативных структур, указывают на прохождение самоорганизации при трении. Характерно, что это явле- ние обнаружено только в сплаве АО-5,8, у которого был зафиксирован наименьший показатель износа. В данном сплаве концентрация магния во вторичных структурах как минимум в два раза выше, чем в сплаве АО-8,7. Следовательно, в абсолютных величинах в данном сплаве отрицательное производство энтропии также в два раза больше. Это обусловлено исходной разницей в легировании магнием: сплав АО-5,8 содержал 1,5 % Mg, в то время как в исходной композиции сплава АО-8,7 было только 0,5 % Mg. Таким образом, интенсивность износа сплавов данного состава может быть обусловлена способностью магния перераспределяться или выделяться из твердых растворов при трении. При этом, вероятно, существует некоторое кри- тическое значение содержания магния в сплаве, которое обуславливает эффектив- ность протекающего процесса с точки зрения снижения износа.
С другой стороны, в сплаве АО-8,7 отмечается повышенное содержание цинка на поверхности трения. Растворимость цинка в алюминии составляет менее 4 %, что также позволяет заключить о присутствии пересыщенного твердого рас- твора на поверхности. Сам факт повышенного содержания цинка и магния в рас- сматриваемых объемах материала указывает на его неравновесное состояние, не- обходимое для протекания самоорганизации. Учитывая худший показатель износа образца АО-8,7 среди всех сплавов, все же нельзя утверждать, что процесс сатура- ции поверхности трения цинком является нежелательным, негативно сказываю- щемся на износостойкости. Менее выраженным это явление присутствует и в сплаве АО-5,8. Следовательно, данный процесс является характерным для сплавов данного состава и инициируется при самоорганизации в процессе трения. Однако приоритетным, с точки зрения снижения износа, являются процессы перераспре- деления и выделения магния. Из этого можно сделать вывод, что самоорганизация в сплавах может протекать по-разному и зависит от исходного состава компонен- тов и их количественного соотношения.
Исследование сплавов после испытаний указывает на то, что при трении происходят значительные изменения в сплаве на глубине до 10 мкм. Значительные изменения элементного состава были зафиксированы на глубину до 1 мкм профи- лированием поверхности методом РФЭС (рисунок 10). Полученные результаты свидетельствуют о формировании трибологического слоя вторичных структур непосредственно на поверхности трения. Глубже происходит наклеп матрицы и увеличение концентрации некоторых ее компонентов. Благодаря массопереносу элементов к поверхности происходит также дисперсионное и дисперсное упроч- нение материала. Таким образом, поверхностный слой и подповерхностное про- странство сплава становятся больше похожими на функционально-градиентное покрытие, где задачей первого контактного слоя является обеспечение трения с
минимальными потерями, а последующих – повышение износостойкости материа- ла. Снижение износа при этом достигается как за счет МСС, так и за счет протека- ния трибохимических реакций.
аб
Рисунок 10. Изменение элементов вторичных структур по глубине в сплаве АО-5,8 (а) и АО-8,7 (б)
исследования показали, что при трении каждый элемент сплава и трибоси- стемы участвует в формировании вторичных структур на поверхности образцов. Наименьшая изношенность характерна сплавам с наибольшим содержанием олова на поверхности. При этом исходное большое содержание олова в сплаве не пред- определяет высокую износостойкость: наибольший износ характерен именно среднеоловянистым сплавам. С повышением износа сплавов на поверхности тре- ния возрастает концентрация цинка, что характерно для всех сплавов. Увеличение концентрации цинка является реакцией системы на износ материала при трении. Возрастание содержания магния на поверхности трения также является ответной реакцией системы на трение, оно сопровождается постепенным снижением износа. Сплавы (AO-11, AO-9,6, AO-8,7) с повышенным износом характеризовались изме- нением содержания магния на величину от минус 0,08 % до 0,19 % масс. на по- верхности по сравнению с исходным состоянием. Сплавы с пониженным износом – на величину от 0,3 % до 0,7 % масс.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На поверхности трения антифрикционных алюминиевых сплавов про- исходят значительные изменения по сравнению с исходной микроструктурой, об- разуются вторичные структуры. Локально образуются различные типы вторичных структур с различным содержанием элементов. В данном процессе участвуют все объекты трибосистемы и окружающая среда.
2. Подтверждена возможность разработки антифрикционных сплавов на основе исследования образующихся вторичных структур на поверхности трения.
3. Процессы образования вторичных структур антифрикционных алю- миниевых сплавов зависят как от набора легирующих элементов, так и от их кон- центрации.
4. При трении происходит массоперенос легирующих элементов меди, магния и цинка к трущейся поверхности. Массоперенос данных легирующих эле- ментов приводит к дисперсионному упрочнению в подповерхностном слое.
5. В результате трения подповерхностный объем материала на глубину до 3 мкм находится в состоянии упругопластической деформации. Деформационное и дисперсионное упрочнение приводят к повышению микротвердости в 1,2 раза.
20

6. Методом РФЭС на поверхности трения было подтверждено увеличе- ние количества новых химических соединений и простых веществ по сравнению с исходным состоянием с 16 до 24. Кроме кремния, все элементы сплава характери- зуются увеличением количества соединений.
7. Поверхностность трения и нижележащие слои в процессе трения нахо- дятся в неравновесном состоянии из-за градиента температур, концентрации дефек- тов, механических напряжений и механоактивации, что ведет к потере термодина- мической устойчивости, необходимой для самоорганизации сплава. В результате возрастает химическая активность элементов, и наблюдаются соединения, которые не образуются при данных давлениях и температуре в стационарном состоянии: карбоксид алюминия, оксиды нестехиометрического состава, сульфид свинца.
8. При самоорганизации происходит снижение износа благодаря увеличе- нию производства отрицательной энтропии за счет протекания несамопроизволь- ных реакций. Снижением энтропии сопровождаются процессы перераспределения и выделения цинка и магния из твёрдого раствора на основе алюминия на поверхно- сти трения сплава, что не соответствует равновесным диаграммам состояния.
9. Поверхность и подповерхностный слой в результате трения представ- ляют собой функционально-градиентную структуру, состоящую из нескольких слоев: металло-полимерная пленка вторичных структур; переходный слой; пере- сыщенный легирующими элементами твердый раствор алюминия и упрочненная твердая основа сплава.
10. Увеличение содержания магния в разрабатываемых сплавах повышает их износостойкость. Оптимальное содержание магния в исследованных антифрик- ционных алюминиевых сплавах составило 1,5 %.
11. Комплексное легирование алюминиевых антифрикционных сплавов позволяет снизить содержание олова до 5,8 % масс без ухудшения трибологиче- ских свойств.
12. Разработаны сложнолегированные алюминиевые антифрикционные сплавы с пониженным содержанием олова, превосходящие бронзу БрО4Ц4С17 по задиростойкости до 2,6 раз, по собственной износостойкости до 2 раз, меньше из- нашивающие стальное контртело до 7,5 раз.
13. Изготовлена опытная партия монометаллических подшипников скольжения из разработанного сплава на основе АО-5,8. Были проведены успеш- ные стендовые испытания данных подшипников на стенде ОАО «СКБТ» (г. Пенза) в составе серийного турбокомпрессора ТК33Н-02 и получена рекомендация к про- ведению эксплуатационных испытаний.
Рекомендации и перспективы дальнейших исследований по теме работы
1. Развитие применённого нового способа разработки и оптимизации ан- тифрикционных материалов на основе алюминия за счет влияния на процессы формирования вторичных структур для более широкого его применения в про- мышленности.
2. Целью дальнейших исследований в области повышения трибологиче- ских характеристик сплавов за счет образования вторичных структур является по- лучение новых знаний о синергетическом влиянии легирующих элементов на свойства, а также совершенствование существующих пар трения на основе до- стигнутых результатов.