Введение

В настоящее время особое внимание уделяется разработке новых материалов, которые можно эксплуатировать при экстремально низких или высоких значениях температур, контактных давлений, скоростей скольжения, механических напряжений. Наиболее перспективными являются металлические композиционные материалы (МКМ), армированные нитридными соединениями. Их можно отнести к материалам нового поколения [1], которые составляют основу для создания гражданской и специальной техники, конкурентоспособной на мировом рынке [2].

Ценность нитридов металлов заключается в комплексе свойств, таких как высокая твердость, химическая инертность, устойчивость к истиранию, что обуславливает возможность их широкого применения. Некоторые нитриды обладают высокой огнеупорностью (нитрид бора), диэлектрическими (нитрид алюминия) и полупроводниковыми свойствами, высокой химической устойчивостью в различных агрессивных средах [3]. Композиционные материалы с нитридным армированием системы Ni–TiC уже успешно используются в электронике, атомной промышленности, космической и авиационной технике, современном машиностроении и других отраслях. Материалы для авиационной промышленности обладают низкой плотностью, при этом прочность достигает высоких значений, что делает их уникальными.

В металлургическом производстве давно известна технология азотирования сталей, при которой поверхностный слой детали упрочняется за счет образования нитридов легирующих элементов (Cr, Mo, W). Модифицирование нитридами также применяется для упрочнения и повышения режущих свойств сталей. В работах [4, 5] показано, что повышение прочности спеченных азотсодержащих сталей с нитридным упрочнением обусловлено выделением из α-фазы тонкодисперсных равноосных нитридов титана или ниобия.

Помимо классических сплавов на основе железа, нитридами упрочняют другие материалы, например керамические. Так, модифицирование нитридом титана позволяет повысить триботехнические свойства керамического материала [6]. Нитриды титана тугоплавки, прочны и имеют высокую электропроводимость [7]. Нитриды могут применяться во многих сферах материаловедения. Так, в ядерной энергетике циркониевые сплавы активно используют в реакторах для раскисления и деазотизации. Нитридные соединения циркония также применяются в теплоизоляторах, в качестве абразивных материалов и др. [8].

Методики внедрения нитридов в матрицу различны и являются одним из определяющих факторов при формировании свойств конечного материала. В работе [9] оценены свойства абразивостойких наплавленных сплавов системы легирования Fe–Cr–Mo–Ni–Ti–C–B под влиянием ультрадисперных частиц нитрида титана TiN. Выявлено, что образующаяся фаза (карбиды (Ti_0,91Mo_0,09)C_0,92), для которой нитриды TiN становятся центрами кристаллизации, обладает высокой твердостью и стойкостью к коагуляции при нагреве. Это способствует повышению механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла.

В настоящее время требования к современной технике усиливаются. Машины и оборудование становятся компактнее, мощнее, производительнее, при этом увеличиваются нагрузки на узлы и механизмы. Одновременно необходимо сохранить надежность и долговечность узлов машин. В связи с этим производители стали чаще применять композиционные материалы для изготовления нагруженных деталей [10]. Так, автопроизводители теперь широко используют композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения двигателей внутреннего сгорания [11]. Немаловажными являются испытания на трение и износ подобных деталей, которые показывают стойкость материалов в различных условиях [12].

Сплавы на основе меди и никеля широко используются в сфере электрических проводников, корабле-, машино-, приборостроении и др. Никель и его сплавы являются хорошими конструкционными материалами, поэтому износостойкие покрытия на их основе представляют практический интерес. Чаще всего сплавы никеля содержат кобальт, который позволяет упрочнить поверхность изделий и повысить износостойкость, уменьшая износ сопряженных пар [13, 14]. Медные композиционные материалы обязательно легируются или армируются другими составляющими, так как медь в чистом виде имеет пониженные значения механических и триботехнических свойств. Например, МКМ Cu–Al₂O₃ обладает сочетанием высоких значений электропроводимости и механических свойств при высоких температурах [15].

Немаловажным при разработке и внедрении МКМ в производство является исследование их структуры. Структура предопределяет комплекс физико-механических свойств материала. Само же ее формирование зависит от физико-химических процессов между задействованными компонентами и их обработки. При обработке исходной порошковой смеси при механическом легировании происходят такие процессы, как пластическая деформация, накопление дефектов кристаллического строения, разрушение частиц, сварка осколков по ювенильным поверхностям, диффузия и взаимодействие между компонентами, вызывающие образование новых, как правило, наноразмерных фаз [16]. В связи с множеством процессов, которые влияют на исходное состояние порошков, конечная структура может отличаться от ожидаемого результата. Однако анализ структурных составляющих, в данном случае нитридов, помогает оценить не только их геометрические параметры (форму, размер), но и равномерность распределения. Для полноценной характеристики структуры получаемого композиционного материала необходимо определить следующие параметры [17]:

– связаны ли компоненты фаз между собой химически (для выявления двух разнородных фаз);

– частицами какого размера представлены элементы фаз;

– насколько прочно связаны между собой фазы.

В данной статье рассмотрены триботехнические особенности процесса трения МКМ на основе меди и никеля с нитридным армированием в условиях варьирования скоростей скольжения и нагрузок в паре трения с разными типами сталей, а также получены изображения структуры некоторых образцов с нитридным армированием. Цель работы – определение возможных областей применения в узлах трения МКМ, армированных нитридами металлов, по результатам исследования процесса трения при различной нагрузке и скорости скольжения.

Материалы и методы

В качестве матричной основы выбраны медь и никель как наиболее распространенные и технологичные металлы для МКМ. В качестве армирующих компонентов использовали доступные нитридные соединения: нитрид циркония (ZrN), нитрид алюминия (AlN), нитрид хрома (CrN) и нитрид титана (TiN). Образцы МКМ изготавливали методом порошковой технологии. Исходные порошки меди и никеля смешивали с порошками нитридов на валковой мельнице с использованием мелющих тел из стали до гомогенного состояния. Дальнейшее компактирование образцов осуществляли методом горячего прессования в вакууме. Полученные заготовки обрабатывали механически для устранения облоя, загрязнений и выравнивания поверхности. Из подготовленной заготовки получали образцы для испытаний в форме плоского диска Ø60 мм.

Трибологические испытания проводили по схеме «палец–диск» («торец стержня–поверхность диска») в условиях сухого трения скольжения. Коэффициент трения определяли при различном нагружении (нормальная нагрузка изменялась от 1 до 5 H) и скорости скольжения (от 0,2 до 0,5 м/с). На рис. 1 приведены схема трения, внешний вид образца и трибомашина.

Рис. 1. Схема трения «палец–диск» (а), внешний вид образца металлического композиционного материала для испытаний на трение (б) и исследовательское оборудование (в). ω – угловая скорость вращения диска, d – диаметр стержня, N – нормальная сила нагрузки, V – радиальная скорость перемещения стержня

Контртело представляет собой стержень (палец) Ø6,35 мм и высотой 20 мм. В качестве материалов контртел использовали стали, применяемые в подшипниках: 95Х18, ВНС-65Ш и ШХ15. Дисковые образцы устанавливали на вращающийся привод. Палец закрепляли к датчику силы, регистрирующему нормальную силу нагрузки и горизонтальную силу трения, возникающую при движении образца. Каждый цикл испытаний проводили по одной дорожке трения без радиального перемещения пальца [18]. Показателями процесса фрикционного взаимодействия в измерительной системе прибора являются коэффициент трения и накопленный за время испытания суммарный износ пары трения.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний МКМ с армированием фазами нитридов в паре трения со сталями приведены в табл. 1. Независимо от металла матрицы и состава армирующей фазы композиционные материалы в паре трения со сталями обладают высоким коэффициентом трения. Такие значения коэффициента трения указывают на высокое сродство железных сплавов к нитридам, что вызвано сильным адгезионным взаимодействием трущихся поверхностей. После испытаний на дорожках трения наблюдали задиры в результате возникновения процессов микрорезания. Высокие значения коэффициента трения и образование задиров свидетельствуют о смешанном адгезионно-абразивном механизме трения.

Исследовано влияние различных нагрузок на контакт трения при разной скорости скольжения. При небольших нагрузках и скоростях скольжения процессы трения протекают в основном по адгезионному механизму, в результате чего наблюдаются высокие значения коэффициентов трения. С увеличением нагрузки и скорости скольжения повышается доля абразивного механизма трения, что является причиной снижения коэффициента трения.

Таблица 1

Коэффициент трения металлических композиционных материалов (МКМ)

в паре трения со сталями

В табл. 2 приведены результаты суммарного износа пары трения МКМ со сталями. Самый большой износ зафиксирован для пар трения с МКМ, армированными TiN, независимо от металла матрицы. Можно отметить, что износ МКМ, армированных TiN, с увеличением нагрузки и скорости скольжения уменьшается.

Износ в парах трения с МКМ, армированными нитридом циркония, являющегося своего рода аналогом нитрида титана, был меньше по сравнению с TiN, но оставался высоким. Аналогично с увеличением нагрузки и скорости скольжения износ уменьшался. При определенных нагрузках, например 4 Н, наблюдался критический характер трения, что приводило к высоким значениям коэффициента трения и появлению сильных борозд на дорожке трения. По этой причине исследования при таких нагрузках прекращали в самом начале.

Таблица 2

Суммарный износ металлических композиционных материалов (МКМ)

в паре трения со сталями

Пары трения МКМ с AlN показали средние значения износа, что может быть результатом некорректных испытаний. Скольжение пар трения протекало нестабильно, рывками. Испытания на износ МКМ, армированных AlN, проведены только для медной матрицы. Для никелевой матрицы получены очень высокие значения коэффициентов трения, движение происходило рывками с проскальзыванием, в связи с чем проведение испытаний было затруднено.

Пары трения сталей с МКМ, армированных CrN, продемонстрировали наименьший износ среди исследованных материалов. При этом образцы с медной матрицей имеют больший износ по сравнению с никелевой, что можно объяснить более высокими уровнями механических свойств никеля.

Таким образом, все исследованные пары трения МКМ со сталями показали высокие значения коэффициента трения, не отвечающие требованиям для применения в узлах скольжения машин.

На рис. 2 приведен типичный график изменения коэффициента трения МКМ, армированного нитридами, в паре со сталями. Среднее значение коэффициента трения стабильно в течение всего процесса испытания. Однако дребезг имеет значительную амплитуду (до 0,4). Снижение среднего коэффициента трения при повышении скорости скольжения и нагрузки можно связать с увеличением продолжительности фазы проскальзывания в момент дребезга.

Рис. 2. Изменение среднего коэффициента трения металлических композиционных материалов на никелевой основе, армированных нитридами

Характер дорожек после испытаний неоднородный, иногда появляются задиры. Такой результат можно объяснить смешанным (адгезионно-абразивным) механизмом износа поверхностного слоя при трении, вследствие которого зарождаются, образуются и отделяются частицы исследуемого материала в зоне контакта [19–21]. Многочисленные экспериментальные сведения подтверждают протекание интенсивных химических превращений на поверхности контакта. Эти превращения инициируются значительными напряжениями сдвига, развиваемыми в верхних слоях на поверхностях при относительном скольжении твердых тел [22]. Однако в МКМ на основе меди и никеля с нитридным армированием не наблюдали резкого снижения коэффициента трения (табл. 1), что свидетельствует об отсутствии протекания химических реакций с образованием поверхностных пленок.

Кроме того, изменения коэффициента трения и износа МКМ на основе никеля и меди можно обосновать с помощью ранее полученных результатов исследования структур никелевых и медных сплавов после испытаний на трение. Рассчитаны остаточные напряжения в поверхностных слоях материалов, которые превышали предел прочности при растяжении [23]. Напряжения, возникающие в процессе трения, могут быть больше напряжений в условиях статического или динамического деформирования.

Исследованы структуры МКМ на основе никелевой матрицы с нитридным армированием. На рис. 3 приведены исходные оптические изображения структур. Цветовая гамма никелевой металлической матрицы и нитридов искажена из-за применения фильтров и поляризаторов, предназначенных для контрастирования фаз и устранения блеска. Следует отметить, что использованы порошки с исходной дисперсностью F1200, однако в процессе механического легирования дисперсность менялась под действием размольных тел. В процессе спекания также могут наблюдаться рекристаллизация и коагуляция, приводящая к увеличению частиц армирующей фазы.

В структуре МКМ системы Ni–TiN присутствуют крупные конгломераты нитридной фазы, равномерно распределенные на поверхности. Общее соотношение доли матрицы и нитридной фазы не соответствует составу. Заниженная доля нитридной фазы на поверхности является результатом выкрашивания армирующего компонента в процессе подготовки, имеющего слабую связь с матрицей. По данным работы [24], нитрид титана имеет низкую смачиваемость никелем (угол смачивания составляет 113 градусов), в результате чего он удерживается в никелевой матрице в основном механически. Слабое взаимодействие TiN с Ni также приводит к коагуляции нитридной фазы в процессе спекания.

Угол смачивания никелем нитрида циркония составляет 90 градусов (средняя величина) [24]. Нитридная фаза равномерно распределяется на поверхности МКМ, присутствуют мелкие конгломераты. Площадь нитридной фазы значительно меньше объемной концентрации, что свидетельствует о выкрашивании в процессе подготовки поверхности из-за слабого взаимодействия с никелевой матрицей. В связи с лучшим взаимодействием ZrN с никелевой матрицей по сравнению с TiN частицы нитрида менее склонны к коагуляции и образуют гораздо более мелкие конгломераты. Однако общая площадь нитридной фазы ZrN на поверхности меньше, чем площадь фазы TiN. Это объясняется тем, что одинарные частицы и мелкие конгломераты гораздо легче и быстрее выкрашиваются, чем крупные образования.

Нитрид хрома равномерно распределяется на поверхности МКМ системы Ni–CrN (рис. 3, в). Конгломераты отсутствуют, доля нитридной фазы соответствует объемному составу. По данным работы [24], угол смачивания никелем нитрида хрома составляет 0 градусов, т. е. происходит абсолютное смачивание. При таком угле смачивания между матрицей и армирующей фазой устанавливается прочная связь.

Рис. 3. Структуры металлических композиционных материалов на никелевой основе, армированных TiN (а), ZrN (б) и CrN (в)

Полученные изображения структур обработаны с помощью компьютерной бинаризирующей программы. Бинаризацию проводили по полю яркости по выделенным ключевым структурным элементам с определением порога яркости. Бинаризированные изображения структур приведены на рис. 4.

Рис. 4. Бинаризированные изображения структур металлических композиционных материалов на никелевой основе, армированных TiN (а), ZrN (б) и CrN (в)

При статистическом анализе структурных составляющих применен фильтр по площади объектов для воспроизводимости выборки и избавления от шумов, возникших при съемке. По полученным геометрическим данным объектов на изображениях построены гистограммы распределения нитридов в структуре МКМ (рис. 5).

Все гистограммы имеют асимметричный вид, смещены влево. Коэффициенты асимметрии варьируются в пределах [3,43; 37,16]. Гистограмма МКМ системы Ni–CrN малоинформативна, так как нитриды хрома занимают бóльшую часть площади поверхности. На бинаризированном изображении CrN представляют собой единый кластер и распознаются как один массивный объект. Мелкие объекты являются либо посторонним шумом, возникшим при съемке шлифа, либо представляют собой отдельные частицы нитридов хрома, расположенные отдельно от основного массива. Распределение нитридов в порошковых МКМ аналогично классическому распределению неметаллических включений в сталях и твердых сплавах на никелевой основе [25].

Заключения

Трибологические испытания МКМ на основе меди и никеля с нитридным армированием в паре трения со сталями показали высокие значения среднего коэффициента трения, что приводит к скольжению рывками. Данный параметр имеет высокую амплитуду колебания значений.

Исследования с варьированием скорости скольжения и нагрузки показали, что трение протекает по смешанному механизму. При низких скоростях скольжения и нагрузках преимущественно преобладает адгезионный характер трения. С увеличением нагрузки и скорости скольжения повышается доля абразивного механизма, что приводит к снижению коэффициента трения за счет скольжения при механическом разрушении контакта сопряженных поверхностей. Снижению среднего коэффициента трения также может способствовать увеличение продолжительности фазы проскальзывания.

Структуры МКМ с нитридным армированием визуально однородны. Однако анализ геометрических параметров подтвердил асимметричное распределение структурных составляющих. При этом коэффициент асимметрии варьируется в диапазоне [3,43; 37,16]. На некоторых изображениях обнаружены крупные конгломераты нитридов, образование которых можно объяснить отсутствием достаточного смачивания матрицы металлом.

Таким образом, композиционные материалы на основе меди и никеля с нитридным наполнением перспективны для разработки материалов различных фрикционных узлов, работающих при высоких температурах и нагрузках в условиях низких скоростей.