Упругопластические свойства трибологических слоев композитов WC – (Fe – Mn – C), формирующихся после высокоскоростного скольжения по стали

В работе изучены упругопластические свойства формирующихся трибологических слоев композитов WC – (Fe – Mn – C) с матрицами, состоящими из γ-железа (в составе 4 % Mn (WC – 80Г4)), и из γ- + α′-железа (в составе 20 % Mn (WC – 80Г20)), после трения по диску из быстрорежущей стали при контактном давлении 5 МПа и скоростях скольжения в диапазоне от 10 до 37 м/с. Установлено, что основным фактором, который определяет морфологию изношенной поверхности, является скорость скольжения. При скоростях скольжения 10 и 20 м/с формируются мелкодисперсные механически перемешанные трибослои толщиной 3 – 4 мкм. С увеличением скорости скольжения до 30 – 37 м/с толщина трибослоев достигает 10 – 15 мкм, а структура состоит из окисленных фрагментов композитов WC – (Fe – Mn – C) и сложного оксида FeWO₄ и не имеет резкой границы как трибослои, формирующиеся при меньших скоростях скольжения. Наибольшие значения нанотвердости (~33 ГПа) и эффективного модуля Юнга (~523 ГПа) были достигнуты в трибослое WC – 80Г4 после трения при скорости скольжения 10 м/с, когда наноиндентор внедряется в агломераты фрагментированных зерен WC. Это контрастирует со свойствами трибослоев, формирующихся при скоростях скольжения выше 20 м/с. Результаты наноиндентирования показали очевидный эффект трибохимически-индуцированного размягчения в формирующемся трибослое после высокоскоростного скольжения при скорости 37 м/с. Такой слой имеет композитную микроструктуру, которая состоит из фрагментированных компонентов, сцементированных in-situ трибохимически образованным FeWO₄, и, помимо антифрикционных свойств обладает повышенным сопротивлением разрушению при индентировании.

1. Kumar R., Antonov M. Self-lubricating materials for extreme temperature tribo-applications // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 44. Part 6. P. 4583–4589. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.824

2. Zhai W., Bai L., Zhou R., Fan X., Kang G., Liu Y., Zhou K. Recent progress on wear-resistant materials: Designs, properties, and applications // Advanced Science. 2021. Vol. 8. No. 11. Article 2003739. https://doi.org/10.1002/advs.202003739

3. Torres H., Ripoll M.R., Prakash B. Tribological behaviour of self-lubricating materials at high temperatures // International Materials Reviews. 2018. Vol. 63. No. 5. P. 309–340. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1410944

4. Zhu S., Cheng J., Qiao Z., Yang J. High temperature solid-lubricating materials: A review // Tribology International. 2019. Vol. 133. P. 206–223. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018.12.037

5. Kumar R., Hussainova I., Rahmani R., Antonov M. Solid lubrication at high-temperatures – A review // Materials. 2022. Vol. 15. No. 5. Article 1695. https://doi.org/10.3390/ma15051695

6. Voevodin A.A., Muratore C., Aouadi S.M. Hard coatings with high temperature adaptive lubrication and contact thermal management: Review // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 257. P. 247–265. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.04.046

7. Kübarsepp J., Juhani K. Cermets with Fe-alloy binder: A review // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2020. Vol. 92. Article 105290. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105290

8. Zhang X., Yang F., Zeng C., Ma W., Guo Z. Fabrication and pro­perties of TiC-high manganese steel cermet processed by 3D gel printing // Journal of Materials Science. 2021. Vol. 56. No. 25. P. 19709–19722. https://doi.org/10.1007/s10853-021-06563-0

9. Li G., Jia J., Lyu Y., Zhao J., Lu J., Li Y., Luo F. Effect of Mo addition mode on the microstructure and mechanical properties of TiC–high Mn steel cermets Effect of Mo addition mode on the microstructure and mechanical properties of TiC–high Mn steel cermets // Ceramics International. 2020. Vol. 46. No. 5. P. 5745–5752. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.023

10. Savchenko N.L., Gnyusov S.F., Kul’kov S.N. Structures formed during the friction of a metal-ceramic composite on steel under high-velocity sliding conditions // Technical Physics Letters. 2009. Vol. 35. P. 107–110. https://doi.org/10.1134/S1063785009020035

11. Savchenko N.L., Gnyusov S.F., Kul’kov S.N. Features of high-speed wear of WC-steel 11G13 material in contact with cast tool steel // Journal of Friction and Wear. 2009. Vol. 30. No. 1. P. 46–52. https://doi.org/10.3103/S1068366609010085

12. Savchenko N., Sevostyanova I., Tarasov S. Self-lubricating effect of FeWO4 tribologically synthesized from WC-(Fe-Mn-C) composite during high-speed sliding against a HSS disk // Lubricants. 2022. Vol. 10. No. 5. Article 86. https://doi.org/10.3390/lubricants10050086

13. Gadge M., Chinchanikar S. Characterization of pre-and/or post-treated PVD-AlTiN coating: Nanohardness, modulus of indentation and percent elastic portion of the nanoindentation // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 46. No. 17. P. 8386–8392. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.439

14. He J., Cao Y., Li Z., Wang Y. Study of tribological properties of polymer derived ZrB2-SiC ceramics // Ceramics International. 2018. Vol. 44. No. 13. P. 15627–15630. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.231

15. Tai P., Pang L., Shen T., Wang Z., Jin P., Huang S., Chang H., Wei K., Cui M., Sun J., Chai J. Microstructure evolution and nanohardness of nanostructured TiAlN coating under N+ ion irradiation // Surface and Coatings Technology. 2022. Vol. 441. Article 128494. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128494

16. Tian Z., Zheng L., Wang J., Wang J. Capacity and mechanisms of plastic deformation in β-Lu2Si2O7 // Scripta Materialia. 2017. Vol. 131. P. 6–10. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.12.023

17. Maharaj D., Bhushan B. Friction, wear and mechanical behavior of nano-objects on the nanoscale // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2015. Vol. 95. P. 1–43. https://doi.org/10.1016/j.mser.2015.07.001

18. Ni W., Cheng Y.-T., Lukitsch M.J., Weiner A.M., Lev L.C., Grummon D.S. Effects of the ratio of hardness to Young’s modulus on the friction and wear behavior of bilayer coatings // Applied Physics Letters. 2004. Vol. 85. No. 18. P. 4028–4030. https://doi.org/10.1063/1.1811377

19. Dusza J., Csanádi T., Medved D., Sedlak R., Vojtko M., Ivor M., Ünsal H., Tatarko P., Tatarková M., Šajgalík P. Nanoindentation and tribology of a (Hf-Ta-Zr-Nb-Ti)C high-entropy carbide // Journal of the European Ceramic Society. 2021. Vol. 41. No. 11. P. 5417–5426. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.002

20. Севостьянова И.Н., Саблина Т.Ю., Федоров Д.В., Голуб А.В., Кульков С.Н. Исследование фазового состава и его влияние на механические свойства карбидосталей WC-(Fe-Mn-C) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2020. Т. 22. № 2. С. 76–88. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2020-22.2-76-88