Трение и износ композиционного материала на основе сплава Al–Mg, модифицированного порошком железа с помощью фрикционной перемешивающей обработки

Работа посвящена изучению трибологических свойств композитных материалов, полученных фрикционной перемешивающей обработкой (ФПО) на основе алюминиево-магниевого сплава АА5056 с добавление железа в процессе сухого трения скольжения. Для испытания были получены образцы методом ФПО, c содержанием порошка железа 0, 5, 10 и 15 об. %. Для каждого типа композита было проведено 4 прохода ФПО, для достижения однородного распределения частиц порошка железа по всему объёму зоны перемешивания. Трибологические испытания проводились по схеме палец–диск в паре с контртелом из нержавеющей жаропрочной стали с содержанием хрома 12—14 % (AISI 420). Повышение содержания Fe в сплаве приводит к уменьшению значений среднего коэффициента трения на ~ 10—15 %, а также и к снижению износа на ~ 20 %. Исследование изношенных поверхностей трения показало, что с ростом количества добавленного при ФПО железного порошка механизм изнашивания меняется от адгезионного к абразивному. Показано, что однородное распределение частиц интерметаллидных соединений (ИМС) типа Al₆Fe и Al₁₃Fe₄, in-situ синтезированных в процессе ФПО, позволило повысить износостойкость композитов по сравнению с базовым сплавом без добавок железа. Механически перемешанный слой, состоящий из деформированной матрицы с включениями фрагментированных и окисленных ИМС, образовывался на изношенных поверхностях всех изученных композитов, защищая их от адгезионного износа и выполняя функцию износостойкого антифрикционного покрытия.

1. Abouei V., Saghafian H., Shabestari S.G., and Zarghami M. Effect of Fe-Rich Intermetallics on the Wear Behavior of Eutectic Al–Si Piston Alloy (LM13) // Materials & Design. — 2010 (31), 3518—3524

2. Canakcı A., Ozkaya S., Erdemir F., Karabacak A.H., and Celebi M. Effects of Fe-Al Intermetallic Compounds on the Wear and Corrosion Performances of AA2024/316L SS Metal/Metal Composites // Journal of Alloys and Compounds. — 2020 (845), 156236

3. Sarkari Khorrami M., Samadi S., Janghorban Z., and Movahedi M. In-situ Aluminum Matrix Composite Produced by Friction Stir Processing Using FE Particles // Materials Science and Engineering: A. — 2015 (641), 380—390

4. Lee I.S., Kao P.W., and Ho N.J. Microstructure and Mechanical Properties of Al–Fe in situ Nanocomposite Produced by Friction Stir Processing // Intermetallics. — 2008 (16), 1104–1108

5. Roy D., Basu B., Mallick A. B., Manoj Kumar B.V., and Ghosh S. Understanding the Unlubricated Friction and Wear Behavior of FeAluminide Reinforced Al-Based in-situ Metal–Matrix Composite // Composites: Part A. — 2006 (37), 1464—1472

6. Knyazhev E., Nikolaeva A., Chumaevskii A., Cheremnov A., Zykova A., Gurianov D., Utyaganova V., Moskvichev E., Savchenko N., and Tarasov S. Iron-Added Aluminum Matrix Composites Prepared by Friction Stir Processing: Structure, Mechanical and Tribological Properties // Metallography, Microstructure, and Analysis. — 2024.

7. Zykova A., Vorontsov A., Chumaevskii A., Gurianov D., Savchenko N., Gusarova A., Kolubaev E., and Tarasov S. In Situ IntermetallicsReinforced Composite Prepared Using Multi-Pass Friction Stir Processing of Copper Powder on a Ti6Al4V Alloy // Materials. — 2022 (15), 2428

8. Wang T., Gwalani B., Shukla S., Frank M., and Mishra R.S. Development of in Situ Composites via Reactive Friction Stir Processing of Ti–B4C System // Composites Part B: Engineering. — 2019 (172), 54—60

9. Zhang W., Ding H., Cai M., Yang W., and Li J. Ultra-Grain Refinement and Enhanced LowTemperature Superplasticity in a Friction StirProcessed Ti-6Al-4V Alloy // Materials Science and Engineering: A. — 2018 (727), 90—96