Кафедра технологии функциональных и конструкционных материалов, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия:

Е. С. Прусов, доцент, эл. почта: eprusov@mail.ru
В. А. Кечин, профессор, заведующий кафедрой
А. В. Киреев, инженер-исследователь

Металломатричные композиты на основе высокоалюминиевых цинковых сплавов являются перспективными материалами трибологического назначения и представляют собой эффективную альтернативу подшипниковым бронзам, антифрикционным алюминиевым сплавам и оловянистым баббитам. Объектами исследования в настоящей работе служили цинковые сплавы с содержанием алюминия от 25 до 40 % (мас.) и композиционные сплавы на их основе, содержащие 5 % (мас.) титана в виде дисперсных интерметаллидных соединений. Разработанная жидкофазная технология получения цинковых композиционных сплавов предусматривает расплавление алюминия, ввод меди и магния при 750 ^оС согласно расчету шихты, добавление брикетированного титанового порошка при 780–800 ^оС с последующей выдержкой расплава в течение 15–20 мин для образования алюминидов титана, ввод цинка до получения заданного химического состава, перемешивание и разливку. Методом математического планирования эксперимента получены регрессионные зависимости коэффициента трения и износостойкости опытных сплавов от содержания алюминия и титана. Показано, что добавление порошкообразного титана улучшает трибологические характеристики литых заготовок за счет формирования гетерофазной структуры. Алюминиды титана в композиционном сплаве на основе матрицы ZA27 представлены равномерно распределенными компактными кристаллами блочной формы со средним размером 22,19±5,50 мкм. Увеличение содержания алюминия в композиционном сплаве до 40 % (мас.) приводит к росту размеров интерметаллидов Al₃Ti до 100–120 мкм и изменению их морфологии на пластинчатую, что повышает коэффициент трения и снижает износостойкость. Установлено, что наилучшими трибологическими свойствами в условиях испытаний обладает композиционный сплав ZA27 +
+ 5 % (мас.) Ti, имеющий на 25–30 % меньший коэффициент трения со смазкой в сравнении с матричным сплавом и превосходящий его по износостойкости более чем в 7 раз. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанные цинковые композиционные сплавы для изготовления литых изделий антифрикционного назначения, работающих в условиях обеспеченной смазки.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания вузам в сфере научной деятельности на 2014–2016 гг.

1. Марукович Е. И., Карпенко М. И. Износостойкие сплавы. — М. : Машиностроение, 2005. — 428 с.
2. Krajewski W. K., Greer A. L., Krajewski P. K. Trends in the development of high-aluminium zinc alloys of stable structure and properties // Archives of Metallurgy and Materials. 2013. Vol. 58, No. 3. P. 845–847.
3. Yan S., Xie J., Liu Z., Wang W., Wang A., Li J. Influence of different Al contents on microstructure, tensile and wear properties of Zn-based alloy // Journal of Materials Science & Technology. 2010. Vol. 26, No. 7. P. 648–652.
4. Cuvalci H., Celik H. S. Investigation of the abrasive wear behaviour of ZA-27 alloy and CuSn10 bronze // Journal of Materials Science. 2011. Vol. 46. P. 4850–4857.
5. Savaskan T., Maleki R. A. Friction and wear properties of Zn – 25Al-based bearing alloys // Tribology Transactions. 2014. Vol. 57, No. 3. P. 435–444.
6. Rumana A., Md Rofiqul I. Study of mechanical properties of Zn – 27Al alloy cast in metal mould at different casting conditions // International Journal of Engineering and Technical Research. 2016. Vol. 4, No. 1. P. 8–11.
7. Li Y., Long Y., Chen W., Zhang D., Shao M. Effect of Mn content on microstructure and mechanical properties of modified ZA-27 alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2002. Vol. 12, No. 6. P. 1091–1094.
8. Vencl A., Bobic I., Vucetic F., Bobic B., Ruzic J. Structural, mechanical and tribological characterization of Zn25Al alloys with Si and Sr addition // Materials & Design. 2014. Vol. 64. P. 381–392.
9. Choudhury P., Das S. Microstructure-wear correlation in zinc-aluminium alloy containing additive species// Tribology — Materials, Surfaces & Interfaces. 2012. Vol. 6, No. 1. P. 8–19.
10. Krajewski W. K., Zak P. L., Orava J., Greer A. L., Krajewski P. K. Structural stability of the high-aluminium zinc alloys modified with Ti addition // Archives of Foundry Engineering. 2012. Vol. 12, No. 1. P. 61–66.
11. Mojaver R., Shahverdi H. R. Relationship between cooling rate, microstructure features and wear behavior in end-chill cast Zn – 27%Al alloys containing more than 2% Cu // Wear. 2011. Vol. 271, No. 11/12. P. 2899–2908.
12. Wang J., Yan S., Xie J., Liu Z., Li J., Wang W. Effect of cooling rate on the microstructure of ZA48 alloy // Journal of Wuhan University of Technology. 2010. Vol. 25, No. 5. P. 811–813.
13. Babic M., Vencl A., Mitrovic S., Bobic I. Influence of T4 heat treatment on tribological behavior of ZA27 alloy under lubricated sliding condition // Tribology Letters. 2009. Vol. 36, No. 2. P. 125–134.
14. Michalik R., Tomaszewska A. An influence of ageing on the structure, corrosion resistance and hardness of high aluminum ZnAl40Cu3 alloy // Archives of Metallurgy and Materials. 2016. Vol. 61, No. 1. P. 289–294.
15. Mishra S. K., Satapathy A. Ceramic particulate filled ZA-27 metal matrix composites: comparative analysis // Materials Science and Technology. 2014. Vol. 30, No. 12. P. 1495–1499.
16. Mishra S. K., Biswas S., Satapathy A. A study on processing, characterization and erosion wear behavior of silicon carbide particle filled ZA-27 metal matrix composites // Materials & Design. 2014. Vol. 55. P. 958–965.
17. Babic M., Mitrovic S., Zivic F. Effects of Al₂O₃ particle reinforcement on the lubricated sliding wear behavior of ZA-27 alloy composites // Journal of Materials Science. 2011. Vol. 46, No. 21. P. 6964–6974.
18. Abou El-Khair M. T., Lotf A., Daoud A., El-Sheikh A. M. Microstructure, thermal behavior and mechanical properties of squeeze cast SiC, ZrO₂ or C reinforced ZA27 composites // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528. P. 2353–2362.
19. Girisha B. M., Prakasha K. R., Satisha B. M., Jainb P. K., Devic K. Need for optimization of graphite particle reinforcement in ZA-27 alloy composites for tribological applications // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 530. P. 382–388.
20. Dalmis R., Cuvalci H., Canakci A., Guler O. Investigation of graphite nano particle addition on the physical and mechanical properties of ZA27 composites // Advanced Composites Letters. 2016. Vol. 25, No. 2. P. 37–42.
21. Прусов Е. С., Панфилов А. А., Кечин В. А. Современные методы получения литых композиционных сплавов // Литейщик России. 2011. № 12. С. 35–39.
22. Yu H., Chen H., Sun L., Min G. Preparation of Al – Al₃Ti in situ composites by direct reaction method // Rare Metals. 2006. Vol. 25, No. 1. P. 32–36.
23. Das K., Narnaware L. K. A study of microstructure and tribological behaviour of Al – 4.5% Cu/Al3Ti composites // Materials Characterization. 2009. Vol. 60, No. 8. P. 808–816.
24. Liu Z., Han Q., Li J. Fabrication of in situ Al₃Ti/Al composites by using ultrasound assisted direct reaction between solid Ti powders and liquid Al // Powder Technology. 2013. Vol. 247. P. 55–59.
25. Прусов Е. С., Коробков М. Б., Кечин В. А. Повышение триботехнических характеристик литых заготовок из цинковых сплавов // Литейщик России. 2014. № 12. С. 30–36.
26. Прусов Е. С., Коробков М. Б., Кечин В. А. О жидкофазной технологии получения цинковых композиционных сплавов // Металлургия машиностроения. 2015. № 5. С. 28–30.
27. ГОСТ 21437–95. Сплавы цинковые антифрикционные. Марки, технические требования и методы испытания. — Введ. 1997–01–01.
28. Li M., Lu S., Long F., Sheng M., Geng H., Liu W. Effect of Y addition on the mechanical properties and microstructure of Zn – Al Alloys // JOM. 2015. Vol. 67, No. 5. P. 922–928.