Применение процессов горения порошковых реагентов и самопроизвольной инфильтрации для синтеза новых износостойких самосмазывающихся каркасных керамико-металлических композитов

Добавление частиц графита к алюминию позволяет улучшить его трибологические свойства за счет проявления эффекта самосмазывания, а армирование таких алюмоматричных композитов Al-C керамической фазой карбида титана TiC с высокой твердостью и прочностью позволяет получить гибридные композиты Al-TiC-C с повышенными физико-механическими свойствами и улучшенной износостойкостью. В настоящей работе исследовалось применение нового энергоэффективного подхода к получению композитов Al-TiC-C путем сочетания метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористых композиционных каркасов из карбида титана и свободного углерода TiC-C с последующей инфильтрацией их расплавом алюминия и его сплавов. Для синтеза карбида титана использовалась стехиометрическая смесь порошков титана и графита Ti+C, а для получения свободного углерода в эту стехиометрическую смесь добавлялись порошки графита с размерами частиц 10-15 мкм или 100-1000 мкм, или углеволокно рубленое диаметром 7 мкм и длиной 3 мм. Для изучения микроструктуры, состава, физико-механических и трибологических свойств новых композитов использовались методы: сканирующий электронный микроскопии с энергодисперсионной спектрометрией, рентгенофазового анализа, определения плотности гидростатическим взвешиванием, твердости по Бринеллю, прочности при сжатии, трибологических свойств на трибометре по схеме «pin-on-disk». Установлено, что добавляемый графит с размерами частиц 10-15 мкм практически полностью растворяется в расплаве алюминия, а графит с размерами частиц 100-1000 мкм и углеволокно сохраняются. Предел прочности при сжатии углеродсодержащих алюмоматричных композитов составил от 203 до 233 МПа. При сухом трении реализуется преимущественно абразивный механизм изнашивания с высоким коэффициентом трения 0,88-0,98, но в 3 раза меньшим износом образца композита, полученного с добавлением крупного графита с размером 100-1000 мкм. Получены гибридные каркасные СВС-композиты TiC-C(графит)-(Al-5%Cu) и TiC-C(графит)-(Al-5%Si) с относительно однородной структурой и средней плотностью 3,06 и 2,94 г/см3. Побочными фазами в СВС-композитах являются Al4C3, Al2O3 и TiAl3. Отмечена пониженная межфазная химическая активность в композите TiC-C(графит)-(Al-5Cu). Трибологические испытания показали повышенную износостойкость СВС-композитов, а характер изнашивания абразивный. Установлено, что TiC-C СВС-композиты на основе сплавов Al-5%Si и Al-5%Cu по сравнению с чистым Al обеспечивают существенно лучшие трибологические характеристики, а именно, добавление 5%Si и 5%Cu, соответственно, уменьшает: коэффициент трения на 17% и 34%; износ стального контртела на 21% и 71%; износ самого СВС-композита в 1,8 и 3,5 раза. С точки зрения трибологических свойств, наилучшие результаты достигнуты на композите TiC-C-(Al-5%Cu). Условный предел текучести материалов составил: Al-5%Si (92,8±13,1 МПа); Al-5%Cu (128,7±17,2 МПа); TiC-C-(Al-5%Si) (191,0±29,7 МПа) и TiC-C-(Al-5%Cu) (208,3±58,1), из чего видно, что добавление каркаса TiC-С повышает предел текучести сплавов в среднем в 1,6…2 раза. По показателю износостойкости исследуемые материалы устойчиво занимают 5 класс, а стальной контрматериал 6 класс. При этом добавка крупного графита и/или легирование матрицы Cu и Si повышает класс износостойкости СВС-композита TiC-Al до 6, а стального контртела практически до 7. Учитывая, что в подшипниках скольжения используются материалы 5…8 класса износостойкости, то данные материалы являются перспективными для применения в данном направлении даже в режиме сухого трения. При этом очевидно, что живучесть узла трения может быть существенно увеличена присутствием жидкой смазочной среды. Примечательно, что небольшая остаточная пористость (до 5-10%) СВС-композитов системы Al-TiC-C(Гр) может рассматриваться как емкость для пропитки жидким смазочным материалом, что, в целом, может повысить устойчивость работы узла трения при меняющихся условиях контактного давления и скорости работы трибосопряжения.