Сотрудники Института физики прочности и материаловедения СО РАН выяснили, что механические и трибологические характеристики антифрикционных композитов на основе алюминия, олова и железа существенно зависят не только от состава, но и от способа введения упрочняющей фазы. Отчет об исследовании опубликован пресс-центром РАН.
Исследователи изучили спеченные композиты системы Al-Sn-Fe, предназначенные для работы в узлах трения. В одном случае в порошковую смесь вводили частицы чистого железа, в другом — уже готовые частицы интерметаллида FeAl₃. При одинаковом атомном составе материалов второй подход оказался более эффективным.
Установлено, что по мере увеличения содержания железа прочность композитов возрастала, хотя пластичность постепенно снижалась. При этом введение частиц FeAl₃ обеспечивало лучшие механические характеристики по сравнению с использованием порошка железа.
Подшипники легче бронзовых, а изнашиваются медленнее
Трибологические испытания показали, что твердые частицы FeAl₃ уменьшают абразивный износ поверхности стального контртела при сухом трении. Это особенно важно для подшипников скольжения: замена изношенного вала обычно значительно сложнее и дороже замены самого подшипника.
Предел прочности разработанных материалов достиг 180 МПа при сохранении высокой пластичности. По данным авторов, этот показатель примерно в два раза превышает характеристики традиционных антифрикционных алюминиево-оловянных материалов аналогичного назначения. Благодаря этому новые композиты рассматриваются как потенциальная замена тяжелым и дорогостоящим бронзам в узлах трения машин и механизмов.
Согласно выводам исследователей, ключевую роль играет формирование в процессе селективного лазерного сплавления в структуре композита трех фаз — алюминиевой матрицы, оловянной составляющей и интерметаллида FeAl₃, который одновременно повышает прочность и способствует снижению износа.
Справочная информация
Интерметаллиды типа FeAl₃ отличаются высокой твердостью и хорошей совместимостью как с алюминием, так и с оловом, поэтому способны укреплять композит без образования слабых межфазных границ.
Ранее ученые ИФПМ СО РАН уже показывали, что антифрикционные композиты Al-Sn-Fe могут использоваться для изготовления подшипников скольжения, способных заменить бронзовые аналоги при меньшей массе деталей.
Алюминиевые композиционные материалы активно исследуются в авиационной и автомобильной промышленности благодаря сочетанию низкой плотности, коррозионной стойкости и высокой прочности.
Сплавы системы Al-Sn являются востребованными в промышленности в качестве антифрикционных материалов в различных узлах трения. Однако алюминий и олово не смешиваются в твердом состоянии, поэтому при охлаждении расплава на границах зерен алюминия обычно образуется оловянная сетка, ослабляющая алюминиевый каркас композита и снижающая его прочность и износостойкость. Частично справиться с этим помогает жидкофазное спекание смеси исходных порошков, однако при этом в процессе нагрева происходит выпотевание олова, выполняющего при эксплуатации изделий важную функцию твердой смазки, а структура полученных спеченных сплавов получается крупнозернистой. Чтобы решить эти проблемы, нужно либо менять составы композитов, либо искать другие методы их получения. Мы выбрали второй вариант, решив использовать широчайшие возможности селективного лазерного сплавления.
Александр Скоренцев
Недавно мы рассказали, как нептуний и цезий объединятся в «невозможный» металлорганический каркас.
Источник: hi-tech.mail.ru