Д.-р. ф.-м. н. Кукареко В.А., Ровкач И.В.,

д.-р. ф.-м. н. Шепелевич В.Г.

НАН РБ Объединенный институт машиностроения,

Белорусский государственный университет

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ – ИНДИЙ

Значительное распространение получили антифрикционные алюминиевые сплавы [1]. Однако их широкому использованию в качестве триботехнических материалов препятствует недостаточное исследование структурно-фазового состояния на сопротивление изнашиванию в условиях экстремального взаимодействия при трении без смазочного материала. В частности, такие условия могут реализовываться при трении в условиях недостаточного поступления смазочного материала, либо при разрушении масляной пленки. В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение фазового состава алюминиевых сплавов, содержащих индий, и их триботехнических свойств при трении без смазочного материала.

Методика эксперимента. Исследование фазового состава и триботехнических свойств проводилось на образцах размерами 8´6´6 мм³, вырезанных из отливок алюминия .и его сплавов, содержащих 6, 12 и 20 масс. % In. Скорость охлаждения жидкой фазы, как показал расчет, равна 10² К/с. Исследование фазового состава образцов сплавов проводилось на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Съемка осуществлялась в излучении Co_Ka. Для расшифровки фазового состава использовалась стандартная картотека PDF-2. При обработке данных рентгеноструктурного анализа применялась программа автоматизированного программного комплекса «Diffwin». Металлографические исследования проводились на растровом электронном микроскопе LEO 1455VP. Измерения твердости проводились по ГОСТ 9450 – 76 на приборе Dura Scan-20 при нагрузке 10 Н. Количество измерений для каждого образца составляло не менее 10 уколов. Относительная погрешность измерения Н не превышала 3%.

Триботехнические испытания в режиме трения без смазочного материала проводились на лабораторном трибометре АТВП, оснащенном специально разработанным устройством для определения коэффициента трения. Схема испытаний - возвратно-поступательное перемещение контактирующих тел при средней скорости взаимного перемещения » 0,1 м/сек. Номинальное давление испытаний составляло р = 1 МПа. В качестве контртела использовалась пластина, изготовленная из закаленной стали У8 (HV₃₀ = 8000 МПа). Рабочая поверхность образца и стального контртела подвергались предварительной механической шлифовке с последующей полировкой на тонкой абразивной бумаге с зернистостью М40. Перед испытаниями рабочие поверхности контактирующих тел обезжиривались спиртом и ацетоном. Измерение величины износа призматических образцов осуществлялось по потере их массы при испытаниях. Образцы взвешивались на аналитических весах АДВ-200М . Погрешность измерения массы образца составляла 0,05 мг.

Результаты исследования и их обсуждение. Результаты рентгенофазового анализа исследованных сплавов представлены на рисунке 1 и в таблице 1 . Можно видеть, что легирование алюминия индием вследствие их низкой взаимной растворимости приводит к образованию гетерофазных сплавов, содержащих алюминиевую матричную фазу и дисперсные частицы индия [2]. Увеличение содержания индия в сплавах приводит к пропорциональному возрастанию интенсивности дифракционных линий от концентрации индия (рисунок 1). Частицы второй фазы имеют преимущественно шарообразную форму и располагаются по границам зерен. В домонотектичских сплавах, содержащих 6 и 12 масс. % In, средний размер частиц составляет 1,9 и 2,2 мкм. В замонотектическом сплаве, содержащем 20 масс. % In, кроме мелких частиц индия, образуются крупные размером 3 … 4 мкм (рисунок 2).

Рисунок 1. Фазовый состав чистого Al марки ЧДА, образцов Al-6 масс. % In, Al-12 масс. % In, Al-20 масс. % In

Твердость сплавов, содержащих 6 и 12 масс. % In, возрастает с увеличением концентрации индия. Увеличение содержания индия до 20 масс. % приводит к некоторому снижению твердости сплава (таблица 1). Указанное уменьшение H связано с укрупнением частиц более пластичным индием.

Таблица 1

Результаты измерений твердости, интенсивности изнашивания, линейного износа, коэффициента трения, фазового состава

Сплав	Коэфф. трения	HV1, МПа	Инт. изнашивания, мг/м, 10^-3	Фазовый состав	Средний размер частиц индия, мкм
Al	0,74	210	12,4	Al (ГЦК)	-
Al-6 % In	0,98	285	14,8	Al(ГЦК), In (тетрагональная)	1,9
Al-12 % In	0,85	323	16,6	Al(ГЦК), In (тетрагональная)	2,2
Al-20 % In	1,5	227	18,8	Al(ГЦК), In (тетрагональная)	1,1

На основании результатов триботехнических испытаний, проведенных, на автоматизированном трибометре АТВП при нагрузке 1 МПа, получена зависимость линейного износа от продолжительности испытания (пути трения) (рисунок 3), позволяющая судить о скорости изнашивания и потерях на трение исследуемых образцов в период испытания. Увеличение концентрации индия в сплавах вызывает монотонный рост интенсивности изнашивания.

а б

Рисунок 2. Микроструктура сплавов Al-6масс.% In (а), Al-20масс.% In (б)

Каждый образец испытывался в течение 2,00·10⁴ циклов, что равняется пройденному пути в 1,22 км. Индий имеет низкую температуру плавления (155 °С) и в экстремальных условия трения без смазки он плавится. Это оказывает значительное влияние на увеличение износа данных сплавов. На рисунке 4 представлены поверхности трения образца Al – 12 масс. % In. Отчетливо видны полосы оплавления поверхностного слоя в направлении движения контр тела. Светлые участки на фотографиях указывают на наличие индия. Наблюдаются участки, из которых происходило плавление индия и растекание его по поверхности образца. В местах, из которых происходит утечка индия, увеличивается количество пустот (пор), что приводит к снижению износостойкости данного образца.

Рисунок 3. Зависимости массового износа образцов от пройденного пути

Рисунок 4. Поверхность трения образца Al-12масс% In

Таким образом, сплавы системы алюминий – индий с концентрацией легирующего элемента до 20 масс. %, полученные при скорости охлаждения ≈ 10² К/с, содержат дисперсные равноосные частицы индия, локализованные на границах зерен. С увеличением содержания индия в сплавах: твердость сначала увеличивается, а затем уменьшается; износ и коэффициент трения увеличиваются.

Литература:

1. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы. Отв. Ред. Ф.И. Квасов, И.Н. Фридляндер. М.: Металлургия, 1972. 438с.

2. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Спр. в 3 т. / Под ред. М.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. 992 с.