Розмір шрифту: 

Функциональные и конструкционные свойства многослойных материалов определяются природой составляющих металлов, соотношением толщин и взаимным расположением слоев, прочностью их соединения, поэтому изучение физико-механических свойств многослойных материалов имеет важное значение для разработки новых слоистых композитных материалов, выбора рациональных условий их эксплуатации. В настоящей работе впервые изучены механические свойства экономнолегированных антифрикционных биметаллов «сталь + композит (ЛКМ)». «сталь + медный сплав» в зависимости от параметров армирования в сравнении с известными мономатериалами типа антифрикционных бронз, латуней.
Механические испытания биметаллических антифрикционных материалов «сталь + ЛКМ», «сталь + медный сплав» и мономатериалов проводили по стандартным методикам, на стандартном испытательном оборудовании, что позволило получить достоверные данные, пригодные для сравнения. Образцы биметаллических материалов изготавливались стандартных размеров 10х10х45 мм. Механические испытания проводили на маятниковом копре при заданных нагрузках 6,8 и 13,2 кгс. Образцы биметалла подвергались удару со стороны основы – стали или плакирующего слоя. В качестве плакирующего композиционного материала применялся литой композит (ЛКМ), состоящий из латуни и стальной дроби. Дробь использовали круглую диаметром 0,6…1,2 мм и колотую. Для сравнения были изготовлены образцы из ЛКМ и латуни марки ЛС59-1.
В биметаллических образцах при ударе по образцу биметалла «сталь + ЛКМ» со стороны стали (нагрузка 6,8 кгс) работа разрушения или относительная ударная вязкость составила 30…52 Дж/см², а при ударе со стороны плакирующего слоя (композита) нагрузка 6,8 кгс оказалась недостаточной для разрушения образца. При увеличении почти в 2 раза нагрузки, до 13,2 кгс, относительная ударная вязкость возросла до 70…80 Дж/см². Такая же закономерность установлена в случае применения для армирования колотой дроби. Для сравнения: ударная вязкость монообразца из ЛКМ составила 0,5, а из латуни 2,0 Дж/см², т.е. существенно ниже, чем у биметалла. С целью определения уровня механических характеристик биметалла «сталь + ЛКМ» в зависимости от соотношений толщин основного (стального) и плакирующего (антифрикционного) слоя проведен комплекс механических испытаний различных вариантов биметалла. Как указывалось выше, ресурс подшипника скольжения зависит от ряда факторов: конструкции подшипников, используемых материалов, условий и режимов эксплуатации и др. В общем виде схема традиционного подшипника скольжения представляет собой сопряжение двух цилиндрических тел, радиусы которых мало отличаются. Исходя из положений, приведенных в работе [1] и др. источниках, а также собственного практического опыта определили следующие физико-механические характеристики: прочность на сжатие и ударную вязкость. Эти характеристики ответственны за прочность и долговечность антифрикционной втулки при статических и динамических ударных нагрузках, которые возникают в практике работы высоконагруженных трибоузлов.
В табл. 1 представлены результаты испытаний на сжатие образцов из слоистых биметаллов «сталь + ЛКМ», «сталь + бронза» и отдельных компонентов, слагающих материалов.

Таблица 1 – Результаты испытания на сжатие (σсж, МПа)


Как видно из табл. 1, прочность на сжатие σсж слоистых биметаллов «сталь + ЛКМ» характеризуется более высокой (в 1,5…1,7 раз), чем бронза. Из полученных данных следует, что для обоих типов слоистых композитов преимущество имеют варианты с меньшей толщиной плакирующего антифрикционного слоя (1/4 от общей толщины образца). Причем, как правило, слоистый биметалл «сталь + ЛКМ» имеет более высокие значения минимальных показателей характеристики σсж. До разрушения сжатием биметаллы прогнозированно имеют большую степень деформации, чем «мономатериал» (бронза и дискретноупрочненный композит ЛКМ), что, вероятно, определяет их большую стойкость и стабильность при нагружении в процессе эксплуатации.
Как показали исследования, ударная вязкость антифрикционного биметалла «сталь + ЛКМ» равна или приближается к уровню данной характеристики прочной углеродистой стали (основного слоя биметалла), т. е. слоистый биметалл «сталь + ЛКМ» имеет ударную вязкость в 3…4 раза выше, чем мономатериал ЛКМ на основе бронзы, армированный стальными гранулами и существенно более высокую, чем у биметалла «сталь + бронза», и тем более выше монобронзы.
Базой для линейной механики разрушения биметаллов послужила концепция Гриффитса [2]. В изделиях из технических металлов и сплавов трещины имеются еще до начала нагружения. В любом случае склонность к хрупкому разрушению определяется, в первую очередь, сопротивлением развитию трещины, а не ее зарождению. Вязкость разрушения используется как количественный критерий сопротивления материалов распространению в нем трещины и как критерий конструктивной прочности. Эти положения положены в основу создания новых материалов конструкционного класса, разработанных ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины – многослойных квазимонолитных сталей [3] и нового экономнолегированного антифрикционного материала (ЛКМ), разработанного ФТИМС НАН Украины [4].
В плакирующем слое биметалла из дискретноармированных литых макрогетерогенных композиционных материалах (ЛКМ) типа «медный сплав (матрица) + стальные гранулы (дискретный наполнитель)» в качестве препятствий для развития трещин служат высокомодульные стальные армирующие гранулы. Трещина зарождается в менее прочном, пластичном матричном медном сплаве и локализуется и останавливается в своем развитии высокопрочной стальной армирующей гранулой (включением, частицей), что способствует увеличению прочности ЛКМ на сжатие по сравнению с монометаллом. В случае биметалла типа «сталь + ЛКМ» торможению развития трещин будет способствовать также появление в объеме детали границ раздела основного и плакирующего слоев.
Выводы.
Слоистый биметаллический подшипниковый материал, состоящий из стальной подложки и плакирующего антифрикционного композиционного слоя (медный сплав + стальные гранулы) имеет ударную вязкость в 2…3 раза более высокую, чем серийные цветные антифрикционные сплавы и моно-ЛКМ, по данной характеристике приближается к углеродистой стали.
Ударную вязкость и конструкционную прочность можно увеличить за счет размещения плакирующего слоя на рабочей контактной поверхности «втулка – вал».
Наибольшую перспективу и эффективность изделия из антифрикционного экономнолегированного биметалла «сталь + ЛКМ» имеют для применения в высоконагруженных подшипниках скольжения, испытывающих при эксплуатации ударную нагрузку.
Достоверность представленных результатов подтверждена многолетней практикой промышленного применения нового материала в Украине и Вьетнаме для изготовления подшипников скольжения и других трибодеталей тяжелонагруженных узлов трения металлургического, энергетического, кузнечно-прессового, подъемно-транспортного и др. оборудования, работающего в экстремальных условиях повышенных нагрузок, температур, абразивного изнашивания [5].

Литература:
1. Справочник по триботехнике. Под общ. ред. М. Хебды им. Чичинадзе, т.1.-М.: Машиностроение, 2006. – 336 с.
2. Золотаревский В.С. Механические испытания и свойства металлов. – М.: Металлургиздат, 1974. – 304 с.
3. Патон Б.Е., Медовар Б.И. и др. Многослойная сталь в сварных конструкциях. – Киев: Наук. думка. 1984. – 288 с.
4. Затуловский С.С. и др. Литые композиционные материалы. – Киев: Техника, 1990. – 240 с.
5. Найдек В.Л., Затуловский А.С., Затуловский С.С. Литые антифрикционные композиты: В кн. 50 лет в АН Украины. – Киев: «Процессы литья», 2008. – С.349-378.