Самосмазывающиеся гибридные композиты WC/Y–TZP–Al2O3 с диспергированными частицами стали Гадфильда
Сотрудники ИФПМ СО РАН внесли свой вклад в развитие нового подхода к технологии синтеза самосмазывающихся гибридных композитов для работы в экстремальных условиях скольжения с повышенными температурами фрикционного контакта. Были разработаны новые керамические композиты WC/Y-TZP-Al2O3 с диспергированными частицами стали Гадфильда, когда после кратковременного (10 мин) и низкотемпературного (1350 °С) спекания под давлением (sinter-forging) специально приготовленных многокомпонентных порошковых смесей они имели около теоретическую плотность (98%), высокие значения твердости (~14.8 ГПа) и вязкости разрушения (~11 МПа×м1/2).
Структурный дизайн таких композитов выделял их из ряда известных композитов подобного состава, а именно, крупные зерна WC (~2.5 мкм) образовывали островки агломератов, внутри которых находились частицы стали Гадфильда. При этом подобные образования соседствовали с микронными (~2-10 мкм) сферическими агломератами Y-TZP-Al2O3 с внутренней наноразмерной эвтектической структурой. В условиях высокоскоростного трения при скоростях скольжения до 37 м/с такие композиты демонстрировали приемлемую износостойкость с одновременно сверхнизким значением коэффициента трения (~0,07). В процессе скольжения композиты WC/Y-TZP-Al2O3 с диспергированными частицами стали Гадфильда проявляли эффекты самосмазывания и самовосстановления за счет трибохимического образования многослойных квазивязких трибологических слоёв, которые служили в качестве защитного покрытия для нижележащих зерен композитов от прямого механического дробления. Такой синергетический адаптационный эффект был достигнут за счет in-situ синтеза вольфраматов железа FeWO4 и Fe2WO6, способных капсулировать частицы износа, заполнять пустоты и каверны, формирующиеся в процессе изнашивания и одновременно понижать коэффициент трения за счет квазивязкого поведения и кристаллографически легкого сдвига.
Полученные результаты отрывают новые перспективы создания большого семейства функционально-улучшенных композитов для задач экстремального трения. Именно гибридные композиты, сочетающие за счет выверенного структурного дизайна: способность противостоять высокотемпературному воздействию в сочетании со значительными сдвиговых нагрузками и имеющие в составе такие химические элементы и фазы, которые позволят им проявлять в процессе скольжения эффекты самосмазывания и самозалечивания за счет происходящих трибохимических окислительных реакций с образованием квазивязких трибослоёв с низким напряжением на сдвиг будут демонстрировать свойства антифрикционности, высокую износостойкость и одновременно повышенную толерантность к возникающим при износе дефектам. Выполнение перечисленных факторов улучшения структуры позволит использовать такие новые гибридные композиты в качестве перспективных антифрикционных материалов для работы в ответственных узлах трения.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН (проект FWRW‐2021‐0006). Результаты исследований опубликованы в журнале «Lubricants» (IF: 2.44; Q2 в Engineering: Mechanical Engineering; Q1 в Materials Science: Surfaces, Coatings and Films — по данным Scopus).
Фото: сайт ИФПМ СО РАН