11_Umanskiy.doc Композиционный материал триботехнического назначения Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 65 Уманский А.П., * Пугачевская Е.П., ** Марценюк И.С., * *Институт проблем материаловедения НАНУ, **Национальный авиационный университет, м. Київ, Україна КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Введение С каждым днем все больше растут требования к надежности и долговечности машин, что в свою очередь ведет к разработке новых технологий, методик и материалов, которые помогают продлить ресурс работы той или иной техники. Одним из перспективных направлений развития машиностроения является применение новых материалов, обладающих высокими физико-механическими и трибологиче- скими характеристиками. К числу наиболее перспективных материалов относятся тугоплавкие металло- подобные и неметаллические соединения типа карбидов, боридов, нитридов и т.д. [1 - 3]. Однако их не- посредственное использование для изготовления деталей машин и механизмов часто ограничивается технологическими трудностями, значительной хрупкостью и невысокими прочностными свойствами в условиях динамических нагрузок, а также относительно высокой стоимостью. Поэтому гораздо целесообразнее использовать полезные свойства тугоплавких соединений, применяя их в виде основы композиционных материалов. В качестве пластичной составляющей таких композитов традиционно используют металлические сплавы. Композиционный материал можно исполь- зовать для изготовления деталей машин, но гораздо целесообразнее его использовать в качестве накла- док для трущихся и нагруженных деталей или в форме покрытий. Применение композиционных мате- риалов в таком виде является в ряде случаев наиболее эффективным, а иногда и единственно возможным средством решения сложных технических проблем. Постановка проблемы Целью работы была разработка нового композиционного материала на основе диборида титана- хрома с высокими эксплуатационными характеристиками для применения его в узлах трения в качестве накладок. Изложение основного материала Методом смачивания и изучения механизмов физико-химического взаимодействия были опре- делены структурные составляющие материала. В качестве твердой фазы был выбран диборид титана- хрома, так как он обладает высокими физико-механическими (твердостью, микротвердостью, прочно- стью при изгибе) и эксплуатационными свойствами (износо- и коррозионностойкостью) [4]. Однако, применение его в чистом виде ограничено за счет высокой хрупкости диборида титан-хрома. Для повы- шения пластичности материала в качестве металлической связки был предложен никелевый сплав с до- бавками хрома. По результатам смачивания диборида титана-хрома никель-хромовыми сплавами был вы- бран оптимальный состав металлической связки для композиционного материала – Ni-15 мас. % Cr [5]. Хром, как поверхностно-активный элемент, способствует растеканию никеля по поверхности диборида ти- тана-хрома, что приводит к образованию нулевых контактных углов. При такой концентрации хрома в ни- келевом сплаве не происходит активное химическое взаимодействие между компонентами композицион- ного материала, что является необходимым условием при выборе металлической связки КМ. Методами порошковой металлургии были получены три состава материала: ТБХН30, ТБХН40, ТБХН50 с 30, 40 и 50 мас. % металлической связки Ni-Cr соответственно. На микроскопе Camebax SX-50 был проведен микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) полученных материалов (рис. 1). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Композиционный материал триботехнического назначения Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 66 а б в Рис. 1 – Микроструктура материала ТБХН30 и распределение в ней элементов: а – никель; б – титан; в – хром Структура материала ТБХН гетерофазна с равномерным распределением фаз: темно серая фаза – зерна диборида титана-хрома, светло-серая фаза – металлическая связка Ni-Cr. Был проведен сравнительный анализ физико-механических свойств разработанных композици- онных материалов с твердым сплавом ВК6 (табл. 1). Этот материал в качестве эталона выбран потому что, во-первых, он относится к тому же классу материалов, что и разработанный, а именно, к керметам, а во-вторых, этот материал широко используется для упрочнения и восстановления узлов трения. Таблица 1 Физико-механические свойства материалов Материал Микротвердость, ГПа Агрегатная твердость, HRA Предел прочности при изгибе, МПа ТБХН30 25 89,1 1310 ТБХН40 23 88,6 1360 ТБХН50 21 88,9 1490 ВК6 17 86 1400 На приборе ПМТ-3 была измерена микротвердость разработанных материалов и твердого сплава ВК6. Cамой высокой микротвердостью обладает мате- риал ТБХН40 (табл. 1). Это объясняется тем, что ТБХН40 содержит оптимальное количество металли- ческой связки, т.е. в материале ТБХН30 ее недостаточ- но, что приводит к охрупчиванию композита, а в мате- риале ТБХН50 ее слишком много, что обеспечивает высокие пластичные свойства, однако снижает микро- твердость материала. С увеличением содержания металлической связки в композиционном материале, т.е. с увеличени- ем его пластичности, растут значения предела прочно- сти при изгибе. Для твердого сплава ВК6 предел проч- ности при изгибе составил 1400 МПа, что сопоставимо с результатами, полученными по композиционным ма- териалам. Исследовалась стойкость разработанных композиционных материалов к высокотемпературному окислению. Образцы в виде кубиков из материала ТБХН30 с гранью 5 мм подвергались окислению на дериватографе марки Q-1500D с плавным нагревом их до температуры 1000 °С. По полученным данным была построена дериватограмма (рис. 2). Рис. 2 – Дериватограмма окисления композиционного материала ТБХН30 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Композиционный материал триботехнического назначения Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 67 Окисление материала характеризуется несколькими стадиями: на первой стадии образуются пи- ки в интервале 450 - 550 оС. Эти пики предположительно соответствуют оксидам бора В2О3, что согласу- ется с данными, приведенными в работе [6]. Вторая стадия характеризуется образованием пиков в температурном интервале 600 - 800 °С. После проведения окисления была изучена структура образовавшейся пленки. Микрорентгеноспек- тральный анализ сечения переходной зоны оксидной пленки и материала выявил образование сложных оксидов титана-хрома (рис. 3), т.е. окислению подвергается главным образом тугоплавкая составляющая материала – диборид титана-хрома. Также обнаружены сложные оксиды никеля-хрома, что, очевидно, свидетельствует о том, что пластичная составляющая только начинает окисляться, то есть для образова- ния четких пиков недостаточно заданной температуры. Кривая ТГ подтверждает прирост массы мате- риала, то есть происходит процесс окисления металлической связки, однако не так интенсивно, как окис- ление тугоплавкой составляющей материала. Эти результаты согласуются с процессом окисления Ni – Cr сплавов, описанном в работах [7, 8]. Рис. 3 – Микроструктура переходной зоны материала ТБХН30 и оксидной пленки и распределение элементов На основании результатов по высокотемпературному окислению можно говорить о том, что ма- териал обладает селективной окисляемостью. То есть, протекает многостадийный процесс окисления с образованием оксидов тугоплавкой составляющей материала и металлической связки разных составов. Для изучения триботехнических характеристик материалов были проведены испытания образцов в условиях фреттинг-коррозии на установке имитирующей вибрацию МФК-1(ГОСТ 23.211-80), по схеме контакта плоскость-плоскость. Были подготовлены образцы цилиндрической формы из композиционных материалов ТБХН диаметром 20 мм и высотой 25 - 30 мм. Контробразец во всех испытаниях выполнен из стали 95Х18 с твердостью 45-50 НRC. Условия испытаний: Р = 20 МПа; А = 50 мкм; Т = 293 К; N = 5·105 циклов. Применение разработанных материалов рекомендуется в качестве накладок на титановые сплавы авиационного назначения, в частности, упрочнение вибрационных полок лопаток газотурбинного двига- теля. Поэтому проводился сравнительный анализ износостойкости композиционного материала ТБХН и титановых сплавов ВТ-22 и ВТ-3. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Композиционный материал триботехнического назначения Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 68 Гистограмма (рис. 4) иллюстрирует линейный износ композиционных материалов ТБХН и тита- новых сплавов в условиях фреттинг-коррозии. Рис. 4 – Линейный износ материалов, мкм Результаты испытаний свидетельствуют о том, что линейный износ материала ТБХН растет с увеличением содержания в композите металлической связки, однако, в целом, износостойкость компози- ционных материалов в паре трения со сталью 95Х18 в 5 - 8 раз выше износостойкости титановых сплавов. Таким образом, на основании проведенных исследований можно говорить о том, что композици- онный материал на основе диборида титана-хрома обладает высокими физико-механическими, физико- химическими и триботехническими свойствами, что позволяет его считать перспективным материалом для использования в узлах трения. Для решения научно-технической проблемы повышения работоспособности рабочих лопаток ГТД, были проведены триботехнические испытания композиционных материалов (композитов) и тита- новых сплавов в различных сочетаниях с целью выбора оптимального среди следующих пар трения: 1) титановый сплав - титановый сплав; 2) композит - титановый сплав; 3) композит - композит. Испытания проводились в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы лопаток газотурбинных двигателей, изготовленных из титановых сплавов, а именно, Р = 20 МПа; А = 125 мкм; Т = 293 К; N = 5·105 циклов. Титановый сплав - титановый сплав. Линейный износ титановых сплавов составил ~ 10 мкм (рис. 5). В процессе трения титановых сплавов оксидная пленка, образуемая на поверхности, разрушает- ся, и трение происходит по ювенильной поверхности титанового сплава. Это приводит к схватыванию и вырывам материала (рис. 6), т.е. реализуется адгезионный механизм изнашивания. Рис. 5 – Линейный износ материалов а б Рис. 6 – Микроструктуры дорожек трения титанового сплава ВТ-3 в паре с титановым сплавом ВТ-3 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Композиционный материал триботехнического назначения Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 69 Композит - титановый сплав. Испытывался композиционный материал ТБХН40 в паре трения с титановым сплавом ВТ-3. Линейный износ составил 8,64 мкм (рис. 5). Как известно [9 - 11], особенно- стью изнашивания титановых сплавов является то, что в процессе трения происходит перенос материала образца на поверхность контртела и трение происходит по схеме «титановый сплав - титановый сплав». Причем, такое явление проявляется независимо от материала контробразца. Как правило, во всех таких случаях износ титанового сплава интенсивнее износа контробразца вследствие налипания и задира. Микрорентегоспектральный анализ дорожек трения композиционного материала ТБХН40 свидетельст- вует о том, что на поверхности композита действительно присутствует слой титанового сплава (рис. 7). Рис. 7 – Микроструктуры дорожки трения материала ТБХН40 и распределение элементов (пара трения – ВТ3) Микроструктуры дорожек трения иллюстрируют наличие участков схватывания с последующими вырывами и сколами материала. Таким образом, реализуется адгезионный механизм изнашивания, как и в одноименной паре трения «титановый сплав - титановый сплав». Композит - композит. Линейный износ составил ~ 4 мкм (рис. 5). Высокие результаты по изно- состойкости композиционных материалов в одноименных парах обеспечиваются за счет реализации окислительного механизма изнашивания. На поверхности материала в процессе трения образуются ок- сидные пленки с дискретной структурой (рис. 8) а б в Рис. 8 – Микроструктуры дорожек трения композиционного материала: а – ТБХН30; б – ТБХН40; в – ТБХН50 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Композиционный материал триботехнического назначения Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 70 а б в Рис. 9 – Микроструктуры материала ТБХН ×2500: а – ТБХН30; б – ТБХН40; в – ТБХН50 Очевидно, в процессе трения в зоне контакта происходит существенное повышение температу- ры, что приводит к образованию оксидных пленок. Причем, дискретность оксидной пленки объясняется селективностью окисления композиционного материала, что согласуется с данными по высокотемпера- турному окислению композиционного материала ТБХН. Анализ дорожек трения композиционных материалов ТБХН на микроскопе РЭМ-106И показал, что кислород содержится и в светлой и в темной фазах, то есть на поверхности трения образуются окси- ды двух составов, причем белая фаза содержит кислорода значительно больше, а значит, и температура образования этих оксидов разная (рис. 10). То есть, в процессе трения также реализуется двухстадийное окисление материала. Рис. 10 – Микроструктура дорожки трения ТБХН30 и распределение в ней элементов Таким образом, формируемая на поверхности трения дискретная оксидная пленка работает как защитная за счет формирования оксидов разных составов, тем самым предотвращая повышенный износ композиционных материалов. Кроме того, для разработанных композиционных материалов с разным содержанием металличе- ской связки выявлена следующая закономерность. В зависимости от состава материала меняется дис- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Композиционный материал триботехнического назначения Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 71 кретность оксидной пленки. На рис. 9 четко видно, что с увеличением содержания металлической связки в материале количество зерен диборида титана-хрома заметно уменьшается, что ведет к уменьшению ко- личества оксидной пленки. Так, дорожка трения материала ТБХН50 с 50% металлической связки харак- теризуется мелкодисперсной оксидной пленкой и количество ее существенно меньше, чем на дорожке трения материала ТБХН30. Дорожка трения материала ТБХН40 содержит текстурированные дискретные оксидные фазы белого цвета размер которых составляет 100-150 мкм (рис. 8б). Такие результаты позво- ляют говорить о том, что механизмом изнашивания композиционного материала ТБХН можно управ- лять, варьируя содержание металлической составляющей в нем. Выводы 1. Разработан новый композиционный материал на основе диборида титана-хрома с никель- хромовой связкой. Материал ТБХН обладает высокими физико-механическими свойствами (микротвер- дость 21-25 ГПа, агрегатная твердость ~89 HRA, предел прочности при изгибе 1310-1490 МПа). Темпе- ратура начала интенсивного окисления ~ 700 0С. Линейный износ материалов в паре трения со сталью 95Х18 составил 4-6 мкм при 500000 циклов. 2. Проведены испытания нового композиционного материала и титановых сплавов в условиях фреттинг-коррозии в различных сочетаниях пар трения. Среди исследованных материалов максимальной износостойкостью обладает пара трения «композит - композит» за счет реализации окислительного ме- ханизма изнашивания. На дорожках трения композиционного материала ТБХН формируются дискрет- ные оксидные пленки, которые работают как защитные, предотвращая повышенный износ материала. 3. Варьируя количеством металлической связки в материале можно управлять интенсивностью изнашивания композиционного материала. Так, с увеличением количества металлической связки меняет- ся состав оксидной пленки, формируемой на материале в процессе трения. Чем больше металлической связки в материале, тем ниже износостойкость материала. 4. Композиционный материал на основе диборида титана-хрома является перспективным и мо- жет быть рекомендован для работы в качестве накладок или износостойких покрытий в узлах трения авиационной техники. Литература 1. Котельников Р.Б. Особо тугоплавкие элементы и соединения. Справ. / Под ред. Котельникова Р.Б. – М.: Металлургия, 1969. – 468 с. 2. Самсонов Г.В. Тугоплавкие соединения. – М.: Металлургиздат, 1963. – 397 с. 3. Туманова А.Г. Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справ. / Под ред. Туманова А.Г. и Портного К.И. – М.: Машиностроение, 1967. – 438 с. 4. Самсонов Г.В. Бор, его соединения и сплавы / Самсонов Г.В., Марковский Л.Я., Жигач А.Ф., Валяшко М.Г. – К.: Изд-во АН УССР, 1960. – 590 с. 5. Уманский А.П. Исследование контактного взаимодействия диборида титана хрома со сплава- ми Ni-Cr / А.П. Уманский, Е.П. Пугачевская, В.П. Коновал // Адгезия металлов и сплавов. – К., 2008. – №41. – С. 44-52. 6. Лавренко В.А. Высокотемпературное окисление композиционных материалов на основе дибо- рида титана / В.А. Лавренко, С.С. Чупров, А.П. Уманский, Т.Г. Проценко, Е.С. Луговская. // Порошковая металлургия. – К.: 1987. – № 9 (297). – С. 84-86. 7. Жаропрочные сплавы. Симс Ч., Хагель В. Нью-Йорк – Лондон – Сидней – Торонто, 1972. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1976. – 568 с. 8. Panasyuk A.D., Lavrenko V.A. Development of Advanced AlN and Si3N4 Based Ceramics with me- tallic binder and Investigation of the Corrosion Properties / Corrosion of Advanced Ceramics Trans Tech. Publi- cation. 1995. p. 59-64. 9. Абковиц С. и др. Титан в промышленности. Пер. с англ. М., Оборонгиз, 1957. – 146 с. 10. Горынин И.В. Титан в машиностроении / И.В. Горынин, Б.Б. Чечулин. – М.: Машинострое- ние, 1990. – 400 с. 11. Пульцин Н.М. Титановые сплавы и их применение в машиностроении. – М. – Л.: Машгиз, 1962. – 168 с. Надійшла 31.10.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com