Трибологические характеристики, фазовый состав и микротвердость приповерхностных областей композитов WC – (Fe – Mn – C) после высокоскоростного скольжения по стали

Изучены трибологические характеристики, фазовый состав поверхностей трения и микротвердость приповерхностных областей композитов WC – (Fe – Mn – C) с двухфазной матрицей из (γ + α′)-железа, содержащей 4 % (по массе) Mn (WC – 80Г4), и однофазной матрицей из γ-железа, имеющей в составе 20 % (по массе) 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. Интенсивность изнашивания WC – 80Г4 и WC – 80Г20 увеличивалась с ростом скорости скольжения, при этом скорость изнашивания WC – 80Г20 при фиксированных скоростях скольжения была примерно в три раза выше, чем у WC – 80Г4. Значения коэффициента трения снижаются с увеличением скорости скольжения таким образом, что при фиксированных скоростях скольжения значения коэффициента трения у WC – 80Г4 были ниже, чем у WC – 80Г20. Количество сложного оксида FeWO₄, образовавшегося при трибоокислении изнашиваемой поверхности композитов, увеличивалось со скоростью скольжения и было прямо пропорционально значениям интенсивности изнашивания и обратно пропорционально показателям коэффициента трения. При фиксированных скоростях скольжения трибоокисление WC – 80Г4 приводит к образованию на поверхности трения большего количества FeWO₄ по сравнению с композитом WC – 80Г20. Индентирование изношенных поверхностей пирамидкой Виккерса показало, что характер сопротивления вдавливанию у трибослоев, образованных при высоких скоростях скольжения (30 и 37 м/с), отличается от такового для трибослоев, полученных при относительно низких скоростях скольжения (10 и 20 м/с). А именно, поверхности трения после высоких скоростей скольжения характеризовались более вязким поведением. Измерение значений микротвердости композитов WC – 80Г4 и WC – 80Г20, полученные после индентирования от поверхности трения вглубь материала, зафиксировало факт упрочнения приповерхностных областей композитов WC – 80Г4 и, напротив, разупрочнения в случае WC – 80Г20. Таким образом, в условиях сильного разогрева и интенсивной пластической деформации поверхности, структурно-фазовое состояние подложки композитов WC – (Fe – Mn – C), на которой формируется вязкий защитный трибослой, оказывается очень важным фактором. Именно двухфазная (γ + α′) стальная матрица обеспечивает в условиях сильного фрикционного нагрева условия для эффективного формирования гетерофазного композиционного слоя, понижающего коэффициент трения и обладающего высоким сопротивлением разрушению при вдавливании.

1. 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

2. 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

3. 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 // Ceramics International. 2020. Vol. 46. No. 5. P. 5745–5752. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.023

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. Basu S.N., Sarin V.K. Oxidation behavior of WC–Co // Materials Science and Engineering: A. 1996. Vol. 209. No. 1–2. P. 206–212. https://doi.org/10.1016/0921-5093(95)10145-4

13. Sharma S.K., Kumar B.V.M., Kim Y.-W. Tribology of WC reinforced SiC ceramics: Influence of counterbody // Friction. 2019. Vol. 7. P. 129–142. https://doi.org/10.1007/s40544-017-0194-2

14. Yang G., Liu X., Sun X., Liang E., Zhang W. Synthesis process control of low-thermal-expansion Fe2W3O12 by suppressing the intermediate phase Fe2WO6 // Ceramics International. 2018. Vol. 44. No. 17. P. 22032–22035. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.08.274

15. Sevostyanova I.N., Savchenko N.L., Kul’kov S.N. Structural and phase binder state and behavior during friction of WC–(Fe–Mn–C) composites // Journal of Friction and Wear. 2010. Vol. 31.

16. P. 281–287. https://doi.org/10.3103/S1068366610040069

17. Tai W.-P., Watanabe T. Fabrication and mechanical properties of Al2O3–WC–Co composites by vacuum hot pressing // Journal of the American Ceramic Society. 1998. Vol. 81. No. 6. P. 1673–1676. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02531.x

18. Xia X., Li X., Li J., Zheng D. Microstructure and characterization of WC–2.8 wt % Al2O3 – 6.8 wt % ZrO2 composites produced by spark plasma sintering // Ceramics International. 2016. Vol. 42. No. 12. P. 14182–14188. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.06.044

19. Pedzich Z., Haberko K. Toughening mechanisms in the TZP-WC particulate composites // Key Engineering Materials. 1997. Vol. 132–136. P. 2076–2079. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.132-136.2076

20. Jiang D., Van der Biest O., Vleugels J. ZrO2–WC nanocomposites with superior properties // Journal of the European Ceramic Society. 2007. Vol. 27. No. 2– 3. P. 1247–1251. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.05.028

21. Savchenko N., Sevostyanova I., Grigoriev M., Sablina T., Buya­kov A., Rudmin M., Vorontsov A., Moskvichev E., Rubtsov V., Tarasov S. Self-lubricating effect of WC/Y–TZP–Al2O3 hybrid ceramic–matrix composites with dispersed hadfield steel particles during high-speed sliding against an HSS Disk // Lubricants. 2022. Vol. 10. No. 7. Article 140. https://doi.org/10.3390/lubricants10070140