STRUCTURE AND TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF COMPOSITE ANTIFRICTION MATERIALS BASED ON R7M2F6 STEEL WASTE

54 KPI Science News 2020 / 1 DOI: 10.20535/kpi-sn.2020.1.189200 УДК 621.923.6:621.318.4:621.002.1 Т.А. Роїк, Ю.Ю. Віцюк∗, О.І. Хмілярчук КПІ ім. Ігоря Сікорського, Київ, Україна ∗ corresponding author: СТРУКТУРА І ТРИБОТЕХНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНИХ АНТИФРИКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ВІДХОДІВ СТАЛІ Р7М2Ф6 Проблематика. Розробка технологічних заходів для створення нових антифрикційних композиційних матеріалів на основі промислових шліфувальних відходів сталі Р7М2Ф6 із домішками твердого мастила CaF2, що призначені для роботи за температур до 600 °С, швидкості ковзання до 1 м/с, навантажень до 5,0 МПа на повітрі. Мета дослідження. Визначення особливостей структури та функціональних властивостей композиційних самозмащувальних антифрикційних матеріалів на основі шліфувальних відходів інструментальної швидкорізальної сталі Р7М2Ф6, що містить у своєму складі тверде мастило CaF2, для роботи у високотемпературних вузлах тертя на повітрі. Методика реалізації. Розробка технологічних режимів регенерації промислових відходів сталі Р7М2Ф6, визначення технологічних операцій виготовлення нових антифрикційних композитів, що включають змішування металевих порошків сталі з твердим мастилом, пресування і спікання композитів. Дослідження процесів структуроутворення і властивостей матеріалів виконувались із застосуванням методів оптичної та електронної мікроскопії, стандартних методів визначення механічних властивостей і випробувань на тертя і знос. Результати досліджень. Визначено та обґрунтовано вплив розробленої технології виготовлення на формування структури, фізико-механічних і триботехнічних властивостей матеріалів на основі відходів сталі Р7М2Ф6 із домішками твердого мастила CaF2, наслідком чого є формування складного гетерогенного антифрикційного матеріалу з високими функціональними характеристиками. Показано механізм формування структури нових матеріалів та її вплив на властивості після використання розроблених технологічних режимів. Мікрорентгеноспектральний аналіз підтвердив, що CaF2, хімічні елементи контактної пари та кисень утворюють антифрикційну плівку, яка забезпечує режим самозмащення за визначених температур тертя. Висновки. Показано можливість прогнозування структури і властивостей антифрикційних самозмащувальних композиційних матеріалів за високих температур через цілеспрямований вибір вихідних металевих шліфувальних відходів для визначених умов роботи контактної пари. Ключові слова: антифрикційний композиційний матеріал; шліфувальні відходи; швидкорізальна сталь; тверде мастило; технологія; структура; функціональні властивості; плівки тертя. Вступ Потреби сучасної техніки нерозривно пов’язані з необхідністю створення нових високоефективних матеріалів і деталей із них, здатних істотно підвищити надійність і довговічність окремих вузлів і машин у цілому. Це повною мірою стосується матеріалів контактних пар, таких як антифрикційні матеріали, які використовуються у важких умовах експлуатації за високих температур – 500 °С і вище, підвищених навантажень понад 2,0 МПа, швидкостей обертання більше 500 об/хв, у агресивних середовищах. Тому питання підвищення зносостійкості таких матеріалів стоїть надзвичайно гостро, оскільки від здатності деталей чинити опір зношуванню залежить довговічність вузла тертя і всього механізму. © Автор(и). Стаття поширюється на умовах ліцензії CC BY 4.0. При розробці нових антифрикційних матеріалів перед науковцями постає потреба одночасного вирішення низки проблем: з одного боку, це необхідність підвищення зносостійкості, а з іншого, забезпечення високої технологічності й економічності виготовлення нових матеріалів. Вирішенню означених проблем сприяє те, що композиційні матеріали мають суттєві переваги над литими, оскільки саме порошкова технологія може забезпечити поєднання різних за природою і властивостями компонентів, які не поєднуються при застосуванні традиційної технології лиття. Утім технологія порошкової металургії має суттєвий недолік, що обмежує широке використання композиційних матеріалів. Це висока вартість вихідних порошків, яка пов’язана як із дороговизною технології їх виготовлення, так і з високою вартістю відповідного обладнання, що МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО ТА МАШИНОБУДУВАННЯ у багатьох випадках не відповідає умовам економічності виробництва і застосування таких матеріалів. Литі антифрикційні матеріали значно дешевші, але мають набагато нижчі триботехнічні характеристики порівняно з композиційними, вони здатні працювати лише за наявності рідких мастил і, як наслідок, потребують застосування мастилоподавальних систем. У важких умовах експлуатації у низці випадків змащувальне мастило стає неефективним (за високих швидкостей обертання або температур), у результаті чого литі антифрикційні матеріали мають незадовільні параметри коефіцієнта тертя та інтенсивності зношування, а інколи стають загалом непрацездатними, що може спричинити до повної деструкції деталі. Це призводить до виходу з ладу вузла тертя і машини в цілому і, як наслідок, викликає зупинки обладнання, збільшення ремонтних періодів, потребує великої кількості запасних частин тощо. Такі явища притаманні матеріалам на основі як заліза, так і кольорових металів. Тому такі завдання, як значне підвищення зносостійкості антифрикційних матеріалів, спрощення технології їх виготовлення, застосування дешевої вихідної сировини, мають бути одночасно враховані при створенні нових антифрикційних матеріалів і деталей із них. Перелічені аргументи свідчать про затребуваність і актуальність означеного напряму досліджень. Важкі умови експлуатації антифрикційних матеріалів, особливо композиційних, що працюють в умовах самозмащення, без рідкого мастила, передбачають поєднання достатніх механічних властивостей для забезпечення конструкційної міцності деталі під дією зовнішніх навантажень із високими триботехнічними властивостями. Це можна досягти завдяки цілеспрямованому формуванню структури матеріалу з урахуванням чинників, що діють у процесі експлуатації. Водночас для реалізації таких завдань науковці різних країн у своїх науково-технічних дослідженнях враховують економічні аспекти щодо використання цінних металевих промислових відходів у повторному циклі виробництва, а саме як основу для розробки нових матеріалів і виробів із них [1–3]. Така практика не тільки відкриває можливості створення нових ефективних матеріалів, але й сприяє захисту довкілля від забруднень. 55 Як правило, повторне широке використання промислових металевих відходів пов’язане із застосуванням традиційних технологій лиття [1–3] для одержання нових матеріалів різного призначення. Такій переробці піддають металеві відходи як промислового, так і побутового походження, а саме металеву стружку машинобудівних підприємств, інструментального виробництва, скраб металургійного походження, утилізовану металеву тару від продуктів і напоїв тощо. В результаті застосування розроблених технологій одержують нові матеріали і деталі з них із високими функціональними характеристиками [1–3]. Так, науковцями Інституту електрозв (...truncated)