РАЗДЕЛ II
Исследование физико-химических процессов формирования ЛКМ системы медь-сталь в
условиях жидкофазного совмещения и нагружения трением скольжения
2.1. Смачивание и адгезия расплавов на основе меди различных подложек
железоуглеродистых сплавов
Смачивание и адгезию матричных расплавов различных подложек изучали наиболее
точным и применяемым ныне методом лежащей капли на установке, изготовленной в
ФТИМС НАНУ [182,188-191] .
Для обоснованного выбора варианта ЛКМ медный сплав – стальные гранулы, а так же
рациональных температурно-временных параметров технологии необходимо изучить
смачивание и адгезию матричных расплавов на основе меди различных стальных
подложек, моделирующих АЭ(армирующие элементы).
В качестве матричных расплавов были выбраны медные сплавы, наиболее применяемые
при производстве подшипников скольжения при различных условиях нагружения:
медь, алюминиевая бронза Бр.АЖ 9-4, кремний- марганцовистая бронза Бр.КМц 3-1,
оловянистая бронза Бр.ОФ 10-1. В качестве подложек - наиболее интересные с
точки зрения использования в качестве АЭ в ЛКМ железоуглеродистые сплавы:
углеродистая сталь, сталь ШХ-15 и чугун антифрикционный типа ИЧХ12Г5.
Результаты изучения смачиваемости медными сплавами подложек из различных сталей
и хромистого чугуна (рис. 2.1-2.6) показали, что можно выделить 3 температурные
области смачивания:
I-область стабильного смачивания: краевые углы смачивания имеют значения
порядка 70° и наблюдаются высокие значения работы адгезии.
В этом случае, в процессе пропитки, жидкая фаза легко двигается по капиллярам и
проникает в места контактов армирующих элементов. Эти участки предпочтительно
растворяются в жидкости, что способствует возникновению
1.медь- сталь углеродистая(t=1085єC) 2. медь- сталь углеродистая(t=1130єC)
3.медь- сталь ШХ-15(t=1085єC) 4. медь- сталь ШХ-15 (t=1130єC)
5.медь- сталь ШХ-15 (t=1180єC)
6.медь- чугун(t=1085єC) 7. медь- чугун(t=1130єC)
Рис.2.4. Растекание капель меди по металлическим подложкам.
1.Бр.ОФ10-1- сталь углеродистая(t=1000єC) 2. Бр.ОФ10-1- сталь
углеродистая(t=1050єC)
3. Бр.ОФ10-1- сталь углеродистая (t=1110єC)
4.Бр.ОФ10-1- сталь ШХ-15(t=960єC) 5. Бр.ОФ10-1- сталь ШХ-15(t=1050єC)
6. Бр.ОФ10-1- сталь ШХ-15 (t=1100єC)
7.Бр.ОФ10-1- чугун (t=950єC) 8. Бр.ОФ10-1- чугун(t=1100єC)
4.Бр.ОФ10-1- сталь ШХ-15 (t=1110єC)
Рис. 2.5. Растекание капель бронзы Бр.ОФ10-1 по металлическим подложкам.
1.Бр.АЖ 9-4- сталь углеродистая 2.Бр.АЖ 9-4- сталь углеродистая
(t=1250єC) (t=1300єC)
3.Бр.АЖ 9-4- сталь ШХ-15 4.Бр.АЖ 9-4- сталь ШХ-15
(t=1160єC) (t=1275єC)
5.Бр.АЖ 9-4- сталь ШХ-15 6.Бр.АЖ 9-4- сталь ШХ-15
(t=1325єC) (t=1350єC)
7.Бр.АЖ 9-4- чугун 8.Бр.АЖ 9-4- чугун
(t=1110єC) (t=1260єC)
9.Бр.АЖ 9-4- чугун
(t=1310єC)
Рис.2.6. Растекание капель бронзы Бр.АЖ 9-4 по металлическим подложкам
диффузионных связей между матрицей и армирующими элементами. При
кратковременном взаимодействии жидкой фазы с твердой геометрия твердого каркаса
может сохраняться в то время как продолжительные выдержки обычно приводят к
полному размягчению основы с потерей первоначальной конфигурации ;
II-область нестабильного смачивания: смачивание колеблется от несмачивания к
смачиванию;
Проникновение жидкости в капилляры затруднено, углы смачивания 70°-90°.
III-область несмачивания: значения краевых углов смачивания выше 90°,а работа
адгезии имеет невысокие значения.
Поверхностные силы препятствуют проникновению жидкости в поры и капиллярные
каналы твердого каркаса. Для различных подложек и сплавов температурные области
имеют различные значения.
Экспериментально установили, что краевой угол смачивания медью углеродистой
стали и стали ШХ-15 при температурах близких к температуре ликвидус меньше 70°
и уменьшается с дальнейшим повышением температуры, причем для стали ШХ-15
значение и примерно на 20° выше, чем у углеродистой стали. Значение и медью
хромистого чугуна в интервале 1089°С до 1200°С соответствует области
несмачивания и только при температурах свыше 1220°С достигает значений меньше
70°С (рис. 2.1). Работа адгезии W растет с повышением температуры (рис. 2.2),
коэффициент растекания D W уменьшается (рис. 2.3). Данные результаты
иллюстрирует рис. 2.4, на котором показаны капли расплавленной меди на
различных металлических подложках. Заметно растекание капли меди на подложках
из углеродистой стали при 1130°С и стали ШХ-15 при 1180°С. На чугуне капля меди
не растекается.
Оловянистая бронза лучше всего смачивает подложку, изготовленную из
углеродистой стали: сразу после расплавления краевой угол смачивания меньше
30°, энергия адгезии высокая и мало меняется с повышением температуры. В случае
взаимодействия с подложкой из стали ШХ-15 угол и больше
1.Бр.КМц3-1- сталь углеродистая(t=990єC) 2. Бр.КМц3-1- сталь
углеродистая(t=1010єC)
3.Бр.КМц3-1- сталь ШХ-15 (t=1060єC) 4. Бр.КМц3-1- сталь ШХ-15 (t=1100єC)
5.Бр.КМц3-1- сталь ШХ-15 (t=1150єC)
6.Бр.КМц3-1- чугун (t=1090єC) 7. Бр.КМц3-1- сталь углеродистая(t=1190єC)
8.Бр.КМц3-1- чугун(t=1270єC)
Рис.2.7. Растекание капель бронзы Бр.КМц3-1 по металлическим подложкам
приблизительно в 2 раза, характер же изменения и с повышением температуры
аналогичный. В случае с чугуном, оловянистая бронза не смачивает подложку даже
пр