Подшипники, изготовленные из дорогостоящей бронзы, могут быть заменены: новый алюминиевый композит оказался в два раза прочнее и значительно более устойчивым к износу.
Сотрудники Института физики прочности и материаловедения СО РАН провели исследование, показывающее, что механические и трибологические свойства антифрикционных композитов на основе алюминия, олова и железа зависят как от состава, так и от метода введения упрочняющей фазы. Отчет об исследовании опубликован пресс-центром РАН.
Исследователи изучили спеченные композиты системы Al-Sn-Fe, предназначенные для эксплуатации в узлах трения. В одном случае в порошковую смесь добавляли частицы чистого железа, в другом — готовые частицы интерметаллида FeAl₃. При идентичном атомном составе материалов второй подход оказался более результативным.
Выяснили, что при увеличении содержания железа прочность композитов возрастала, хотя пластичность постепенно снижалась. При этом использование частиц FeAl₃ обеспечивало лучшие механические характеристики по сравнению с использованием порошка железа.
Подшипники легче бронзовых и менее подвержены износу
Трибологические испытания показали, что твердые частицы FeAl₃ уменьшают абразивный износ стального контртела при сухом трении. Это особенно важно для подшипников скольжения: замена изношенного вала обычно значительно сложнее и дороже, чем замена самого подшипника.
Предел прочности разработанных материалов достиг 180 МПа при высокой пластичности. По информации авторов, этот показатель примерно в два раза превышает характеристики традиционных антифрикционных алюминиево-оловянных материалов аналогичного назначения. Благодаря этому новые композиты рассматриваются как потенциальная альтернатива тяжелым и дорогостоящим бронзам в узлах трения машин и механизмов.
Согласно выводам исследователей, важную 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, что позволяет укреплять композит без формирования слабых межфазных границ.
Ученые ИФПМ СО РАН уже продемонстрировали, что антифрикционные композиты Al-Sn-Fe могут использоваться для создания подшипников скольжения, способных заменить бронзовые аналоги с меньшей массой деталей.
Алюминиевые композиционные материалы активно исследуются в авиационной и автомобильной отраслях благодаря их низкой плотности, коррозионной стойкости и высокой прочности.
Сплавы системы Al-Sn востребованы в промышленности в качестве антифрикционных материалов для различных узлов 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, что снижает его прочность и износостойкость. Частично решить эту проблему помогает жидкофазное спекание смеси исходных порошков, однако в процессе нагрева происходит выделение олова, которое выполняет важную функцию твердой смазки при эксплуатации изделий, а структура полученных спеченных сплавов оказывается крупнозернистой. Для решения этих проблем необходимо либо изменять составы композитов, либо искать новые методы их производства. Мы выбрали второй вариант, решив воспользоваться широкими возможностями селективного лазерного сплавления.
Фото: hi-tech.mail.ru