Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF CHROMIUM CARBIDES SOLID TITANIUM ALLOYS WITH LIGAMENT

Krokhalev A.V. 1 Kharlamov V.O. 1 Tupicin М.А. 1 Prikhodkov К.V. 1 Avdeuk О.А. 1 Savkin А.N. 1 Kuzmin S.V. 1 Lysak V.I. 1
1 FGBOU VPO «Volgograd State Technical University»
Рассмотрены триботехнические характеристики твердых сплавов системы Cr3C2-Ti, полученных путем взрывного прессования смесей порошков карбида хрома с 20, 30, 40 и 50 % (по объему) титановой связки. Установлено, что указанные сплавы имеют более высокие антифрикционные свойства и износостойкость, чем силицированный графит и твердые сплавы системы Cr3C2-Ni, полученные традиционными методами. Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта № 13-08-12028 офи_м
Tribotechnical characteristics of the Ti–Cr3С2 system hard alloys produced by the explosive compaction of powders containing 20, 30, 40, and 50 vol % of the titanium binder are investigated. It is established that the mentioned alloys have higher antifriction characteristics and wear resistance than silicicated graphite and the Cr3C2–20 % Ni type materials produced by conventional methods. This work was supported by RFFI project № 13-08-12028 ofi_m.
chromium carbide
titanium
hard alloy
explosive compaction of powders
tribological engineering
antifriction material
friction
wear

Прогресс ряда областей техники определяется успехами в создании новых материалов для использования в узлах трения, которые способны успешно работать в тяжелых условиях, таких как повышенные или пониженные температуры, высокие скорости скольжения и удельные нагрузки, агрессивные среды, вакуум, сильная радиация и т.п. Весьма перспективным направлением научных исследований в этой связи является разработка новых твердых сплавов триботехнического назначения и новых методов их получения.

Так для изготовления деталей подшипников скольжения, работающих в паре с силицированным графитом в условиях смазки водой, в настоящее время используют сплавы карбида хрома Cr3C2 с никелем или нихромом, получаемые путем прессования и спекания. Замена традиционного никеля на титан и использование взрывного нагружения [4] позволяет отказаться от спекания и совместить процесс получения твердого сплава с его нанесением в виде покрытия на рабочие поверхности заготовок деталей узлов трения.

Целью настоящей работы явилось изучение триботехнических свойств подобных материалов, выявление факторов, определяющих особенности их трения по силицированному графиту, и выработка рекомендаций по оптимизации их состава, обеспечивающих достижение наиболее благоприятных условий трения и минимального износа.

Испытаниям на трение и износ были подвергнуты сплавы, содержащие 14, 22, 31 и 40 % титановой связки, что соответствовало ее объемному содержанию 20, 30, 40 и 50 %. Использованные для получения сплавов режимы нагружения обеспечивали их максимальную твердость HV и плотность, близкую к плотности монолитного материала [2, 4, 6]. Испытания проводились на машине трения МИ-1M по схеме «штифт – кольцо» с врезанием по известной методике [1].

Кривые зависимости коэффициента трения k исследованных материалов по силицированному графиту в среде дистиллята от удельной нагрузки Pуд приведены на рис. 1. Как видно из рисунка, на кривых хорошо прослеживаются все переходы от одного режима трения к другому, характерные для диаграмм Герси-Штрибека [3, 5, 7, 8]: с увеличением нагрузки коэффициент трения сначала уменьшается (режимы гидродинамической и упругогидродинамической смазки), затем начинает возрастать и быстро приходит в насыщение (режимы смешанной и граничной смазки). При дальнейшем увеличении нагрузки коэффициент трения снова достаточно резко возрастает и вновь выходит на насыщение, но при большем, чем в предыдущем случае, уровне значений (трение в режиме схватывания).

По изломам на кривых зависимости коэффициента трения исследованных материалов от удельной нагрузки могут быть определены основные характеристики их антифрикционных свойств, такие, как предельные нагрузки устойчивого, преимущественно жидкостного трения Pж, граничного трения и перехода к схватыванию Pс, а так же значения минимального коэффициента преимущественно жидкостного трения kmin, коэффициентов трения при граничной сказке kгр и при трений в режиме схватывания kс. Влияние содержания титановой связки на перечисленные характеристики показано на рис. 2. Как видно из этого рисунка, минимальный коэффициент трения практически не зависит от содержания связки в материале. Коэффициенты трения при граничной сказке и в режиме схватывания с увеличением содержания титана до 30 % по объему уменьшаются, а затем возрастают.

В противоположность этому, с увеличением содержания связки до 30 % предельная нагрузка устойчивого преимущественно жидкостного трения и предельная нагрузка перехода к схватыванию возрастают, а затем уменьшается.

kr1.wmf

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения карбидохромовых твердых сплавов с титановой связкой от удельной нагрузки

kr2a.wmf kr2b.wmf

Рис. 2. Основные антифрикционные характеристики карбидохромовых твердых сплавов с титановой связкой

Зависимость износа образца DVш и контртела DVк от содержания титановой связки в исходной смеси порошков, используемой для получения твердых сплавов, приведена на рис. 3.

Как следует из рисунка, минимальный суммарный износ пары трения имеет место при содержании связки, равном 30 %. Кроме материала этого состава интерес представляет твердый сплав, содержащий 50 % титана. При несколько большем, чем для сплава с 30 % связки, износе материала образца суммарный износ пары трения в этом случае оказывается практически таким же, как и для сплава с оптимальным его содержанием.

kr3.wmf

Рис. 3. Износ в паре трения «сплав на основе карбида хрома – силицированный графит»

Для корректного сопоставления свойств разработанных сплавов со свойствами уже известных антифрикционных материалов, применяемых в настоящее время в рассматриваемых узлах трения, по описанной выше методике были проведены триботехнические испытания силицированного графита СГП-0,5 и твердого сплава карбида хрома с никелем КХН-20, полученных традиционными методами. Результаты экспериментов приведены в таблице в натуральном масштабе и на лепестковых диаграммах (рис. 4) – в относительном. Сопоставление представленных данных указывает на принципиальную возможность использования разработанных порошковых сплавов и свидетельствует о том, что замена одного из элементов пары трения «силицированный графит по силицированному графиту» на деталь с покрытием из твердого сплава на основе карбида хрома с титановой связкой может существенно повысить долговечность узла трения за счет снижения суммарного износа пары трения.

kr4a.tif kr4b.tif

а) б)

kr4c.tif kr4d.tif

в) г)

Рис. 4. Сравнительные данные по антифрикционным свойствам и износу некоторых материалов: а – СГП-0,5; б – КХН-20; в – Сг3С2 + 30 %Ti; г – Сг3С2 + 50 %Ti

Антифрикционные свойства и износостойкость материалов

Свойство материала

Разработанные материалы на основе карбида хрома

Применяемые

материалы

Содержание титана, %

СГП-0,5

КХН-20

30

50

Минимальный коэффициент преимущественно жидкостного трения

0,089

0,093

0,054

0,123

Предельная нагрузка устойчивого преимущественно жидкостного трения, МПа

3,3

1,9

1,4

2,6

Коэффициент трения при граничной смазке

0,100

0,129

0,076

0,152

Предельная нагрузка схватывания, МПа

11,5

6,9

3,5

5,2

Коэффициент трения в режиме схватывания

0,110

0,140

0,080

0,154

Износ штифта, мм3

0,2

0,6

0,9

0,7

Объемный износ кольца, мм3

0,4

0,2

14,2

7,5

Суммарный износ пары трения, мм3.

0,6

0,8

15,1

8,2


 

При этом можно добиться различного распределения износа между элементами пары трения: при использовании сплава с 30 % титановой связки меньше изнашиваться будет деталь с покрытием, а применение сплава с 50 % титана обеспечит более высокую износостойкость элемента, выполненного из силицированного графита.

Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта № 13–08–12028 офи_м.