Структура, механические и трибологические свойства гибридных спеченных композитов Al-Fe-Sn

В настоящее время для современного оборудования характерны высокие
скорости скольжения и нагрузки. Поэтому для надежной его эксплуатации
требуются новые антифрикционные материалы в узлах трения, в том числе и
на алюминиевой основе. Применение распространенных металлических и
неметаллических материалов при этом мало эффективно. Удовлетворить все
необходимые требования возможно с применением деталей из
композиционных материалов.
Актуальной проблемой в данное время является уменьшение
интенсивности изнашивания деталей ответственного оборудования в процессе
трения. Для решения данной проблемы необходимы модернизация
существующих или создание принципиально новых антифрикционных
изделий, отличающихся повышенными механическими и трибологическими
свойствами. Успешная разработка такого рода изделий приведет к снижению
затрат на ремонт оборудованию и в целом окажется весьма выгодной с
экономической точки зрения.
Известно, что алюминиевые сплавы и композиционные материалы на
основе алюминия довольно редко применяются для создания
антифрикционных изделий по причине большой вероятности схватывания с
соприкасающимися стальными деталями в случае недостаточного количества
смазки на поверхности трения. Однако добавление олова к алюминию
позволяет препятствовать процессам схватывания, поскольку олово в
процессе эксплуатации подшипника способно размазываться по поверхности
трения. Кроме этого, сплавы на основе системы Al-Sn характеризуются
коррозионной стойкостью, усталостной прочностью и высокой
теплопроводностью, что очень важно при работе антифрикционных
материалов. Стоит отметить, что повышение содержания олова в сплаве на
основе алюминия способствует увеличению износостойкости
антифрикционного материала в случае наличия связного матричного каркаса.
Методы литья позволяют получать подобные материалы с содержанием олова
не более 20 вес.%, что может быть недостаточно ввиду высоких скоростей
скольжения и давлений, при которых эксплуатируются узлы трения
современных машин и механизмов. Именно поэтому стал востребован метод
порошковой металлургии, позволяющий получать спеченные композиты на
основе алюминия с содержанием олова до 40 вес.% с сохранением высокой
связанности алюминиевого каркаса.
Однако композиты Al-Sn обладают относительно низкой твердостью,
что является их недостатком при работе подшипников при высоких нагрузках.
Одним из методов повышения износостойкости композиционных материалов
является внедрение в их состав упрочняющих твердых частиц. В последнее
время большой интерес у трибологов вызывают так называемые гибридные
композиты (КМ), содержащие одновременно большое количество и мягких
включений, и твёрдых частиц. При этом, стоит отметить, что вводимые
добавки не должны снижать пластичность материала, а должны
способствовать повышению прочности и улучшению несущей способности
КМ. Кроме того, располагаясь на периферии алюминиевых зёрен, указанные
добавки взаимно препятствуют образованию нежелательных непрерывных
сеток. Идеальное сочетание твёрдых и мягких добавок в алюминии
реализуется в системе Al-Si-Sn. И кремний, и олово в твёрдом алюминии
практически не растворяются, поэтому не образуют с матрицей хрупких
переходных слоёв, снижающих пластичность материала. При эксплуатации
подшипников в условиях высоких температур, требуется наличие
упрочняющих частиц, более прочных и жаростойких чем кремний. Кроме
того, кремний плохо смачивается оловом даже при температуре выше
плавления алюминия, поэтому адгезионные границы «Si-Sn» являются
слабыми местами в таком композиционном материале.
Решить указанную проблему можно путем введения интерметаллидов,
содержащих алюминий, поскольку его наличие в составе соединений
обеспечивает их хорошую адгезию с алюминиевой матрицей и прочные
межфазные границы. В связи с этим возможно применение композиционного
материала системы Al-Fe-Sn, при синтезе которого могут образовываться
тугоплавкие и твёрдые интерметаллиды типа FeAl3. Получение таких
композиционных материалов целесообразно осуществлять методом
порошковой металлургии, поскольку в данном случае, в спекаемом материале
будет постоянно присутствовать большое количество твёрдых, периодически
сталкивающихся друг с другом частиц, что существенно ограничивает
процессы расслоения фаз.
Целью настоящей работы является исследование влияния процесса
спекания и последующего горячего доуплотнения на структуру, механические
и трибологические свойства композитов системы Al-Fe-Sn.
В работе были поставлены следующие задачи: