Физика металлов и металловедение, 2020, T. 121, № 5, стр. 487-493

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные фрикционные материалы имеют как большой коэффициент трения, так и высокую магнитную индукцию насыщения и, следовательно, могут успешно использоваться в железнодорожных тормозах [1, 2[. В некоторых исследованиях показано, что тормозная мощность и скорость поезда связаны между собой кубическим соотношением [3, 4]. При разгоне высокоскоростного поезда до 350 км/ч накапливается большое количество кинетической энергии. Поэтому рельсы должны быть способны выдерживать тормозное усилие, оказываемое колесами, особенно при экстренном торможении [5–7].

В данной работе исследуются фрикционные материалы, исходя из требований к торможению для современных высокоскоростных поездов. Изготовленный методами порошковой металлургии магнитный фрикционный материал при контакте с рельсом может создавать значительное тормозное усилие при электромагнитном торможении. Наряду с другими способами торможения также учитывается использование магнитных характеристик фрикционного материала для достижения безопасного и эффективного торможения. Поэтому, с учетом магнитных свойств, в качестве основного магнитного элемента выбирается Fe, обладающее исключительными магнитными свойствами, с добавкой определенного количества таких элементов как Si, P и т.п., вводимых для улучшения магнитных и механических свойств [8–12]. При этом добавка Si может способствовать повышению коэффициента трения материала, P – улучшению условия спекания для повышения плотности материала. В настоящей работе рассматривается возможность достижения наилучшего сочетания магнитных и фрикционных свойств путем оптимизации состава сплава и улучшения процесса спекания [13, 14].

По данным последних исследований, Юн Ван (Yong Wang) методом порошковой металлургии изготовил феррит Fe–0.4/P–0.6 с магнитной индукцией насыщения, достигающей 1.7 Tл. Шарма (Sharma) исследовал влияние элементов P, C и Si на мягкие магнитные материалы на основе Fe. Было обнаружено, что при содержании С 0.07% и содержании Р 0.3%, магнитная индукция насыщения сплава может достигать примерно 1.78 Тл, однако введение Si может снизить намагниченность насыщения. Чауразия (Chaurasia) исследовал влияние содержания P на магнитные свойства и обнаружил, что при добавлении P магнитная индукция насыщения сначала увеличивается, а затем уменьшается. Когда количество P достигает 0.45%, магнитная индукция насыщения может составлять до 1.75 Тл при максимальной коэрцитивной силе. Однако при этом не рассматривали совокупность механических и магнитных свойств магнитного фрикционного материала. Чинчжи Янь с сотр. (Qingzhi Yan) изготовил сплав Cu–15Fe–10Co и показал, что его ударная вязкость может достигать 51.2 Дж/см² при коэффициенте трения 0.38. Однако о магнитных свойствах сплава не сообщается и не рассматривается возможность его использования в тормозных системах поездов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исходными материалами в настоящем исследовании являются атомизированные порошки чистого Fe и сплавов Fe–0.8P и Fe–3.5Si. Порошки смешивали вместе при температуре 25°C в течение 2 ч в V-образном смесителе (в качестве твердой смазки использовали порошковый парафин в количестве 0.7 вес. %). Смесь порошков прессовали в цилиндрической графитовой пресс-форме размером ∅20 × 20 мм и спекали в установке для плазменно-искрового спекания. Спекание выполняли при температуре 900°C в течение 15 мин при скорости нагрева 100°C/мин при давлении 50 МПа, в результате чего были получены образцы цилиндрической формы, толщиной 13 мм. Состав каждого сплава приведен в табл. 1.

Из спеченных материалов вырезали образцы для металлографического исследования. Образцы шлифовали и полировали в поперечном сечении с использованием стандартных металлографических процедур. Для анализа микроструктуры образцы травили в течение 30 с в 0.5 об. % растворе азотной кислоты, после чего исследовали с помощью оптического микроскопа (OM, Olympus BX-60M) и сканирующего электронного микроскопа (SEM, Sirion). Ударную вязкость определяли при температуре 25°C с использованием соответствующего прибора для испытания. Фазовый состав спеченного сплава определяли с помощью рентгеновского дифракционного анализа (XRD). Для изучения магнитных свойств были изготовлены образцы размером ∅5 × 0.5 мм и измерены на вибрационном магнитометре (VSM). Коэффициент трения определяли на установке для испытания на трение и износ при нагрузке 300 грамм и времени трения 30 мин. Плотность образцов определяли по закону Архимеда.

Внутреннее поле (в образце) и однородное приложенное поле при определенной толщине материала не равны по величине. Величина N (N связано с соотношением длины образца к диаметру) в уравнении 1 составляет 0.0196, если для испытываемого образца h/d = 0.1. На рис. 1 приведены уточненные магнитные свойства спеченных образцов с учетом уравнения 1 [18]. Из рисунка можно видеть, что магнитная индукция насыщения образца C1 составляет 2.0 Тл. Из рис. 1a видно, что линии петли гистерезиса почти совпадают, что указывает на то, что коэрцитивная сила и остаточная индукция имеют очень малые значения. На вставке к рис. 1a приведено увеличенное изображение данных для петли гистерезиса вблизи начала координат, из которого видно, что коэрцитивная сила сплава составляет 380 A/м и остаточная индукция равна приблизительно 0.06 Тл. Петли гистерезиса для других семи исследованных образцов аналогичны приведенной на рис.1a, но значения магнитной индукции насыщения для них несколько отличаются. Как видно из рис. 1б, магнитная индукция насыщения имеет тенденцию к повышению при увеличении содержания P. Однако при содержании P от 0.8 вес. % наблюдается тенденция к понижению. С другой стороны, магнитная индукция насыщения немного снижается при добавлении Si, но ее значение, тем не менее, остается вблизи значения 2.0 Тл. Добавление P способствует уплотнению и спеканию сплава и, как следствие, повышению магнитной индукции. Однако введение немагнитного Si и чрезмерно высокое содержание P может привести к снижению магнитной индукция насыщения материала.

H – внутреннее поле в трех измерениях, H_a – приложенное однородное поле, N – размагничивающий фактор, M – намагничивание материала, в гауссах.

На рис. 2 приведены фрикционные свойства спеченных сплавов. Видно, что процесс трения проходит, в основном, в две стадии. Первая стадия характеризуется быстрым увеличением коэффициента трения в начале процесса трения в течение 5 мин. На второй стадии коэффициент трения не изменяется, и через 5 мин коэффициент трения для образца C1 составляет около 0.51. Исходя из ряда трибологических экспериментальных данных, можно утверждать, что коэффициент трения всех исследованных образцов превышает значение 0.5.

На рис. 3а–3г видны расположенные в царапинах ямки и частицы, причем некоторые из твердых частиц частично внедрены в матрицу и некоторые полностью оторваны. На изображениях микрорельефа поверхности на рис. 3д–3е можно видеть светлые твердые абразивные частицы и приставшую абразивную стружку. Из результатов рентгенодифракционного анализа (XRD), приведенных на рис. 3ж–3з, следует, что массовая доля кислорода в твердых частицах достигает 26.12 вес. %, тогда как содержание кислорода в матрице относительно мало. Исходя из рис. 3и–3к, можно утверждать, что на поверхности трения, помимо основных элементов, присутствуют оксиды, в основном в виде Fe₂O₃ и SiO₂.

Приведенные выше экспериментальные данные могут быть объяснены следующим образом: сплав может легко окисляться на воздухе с образованием твердых частиц оксидов из-за высокой температуры, создающейся в процессе трения. Выступы из таких твердых частиц оксидов приводят к повышению и стабилизации коэффициента трения во время движения. Одновременно они могут приводить к уменьшению степени износа фрикционного материала. Поэтому процесс трения разделяется на две стадии. Кроме того, добавление Si может привести к образованию твердого соединения SiO₂, дополнительно повышающего коэффициент трения. При этом, как можно видеть из рис. 3, деформация поверхности незначительна и пустот мало, что, в основном, обусловлено быстрым плазменно-искровым спеканием при определенном давлении. Поэтому матрица сплава имеет высокие твердость и коэффициент трения.

Из результатов испытания на ударную вязкость, представленным на рис. 4, можно видеть, что при увеличении содержания P ударная вязкость образцов снижается из-за образования в матрице фосфоросодержащей хрупкой фазы. С другой стороны, при добавлении Si в матрицу Fe–P ударная вязкость также обнаруживает тенденцию к понижению. Однако ударная вязкость сплава Fe–0.4P крайне высока и достигает 64.16 Дж/cм². Основная причина заключается в том, что смешивали атомизированный порошок чистого Fe и порошок 50% Fe–0.8P, поэтому материал имеет высокую ударную вязкость и коэффициент трения, а также большую магнитную индукцию насыщения. Из рис. 4б видно, что зона разрыва сплава Fe–0.4P имеет несколько характерных участков, что редко встречается в материалах, изготовленных методами порошковой металлургии.

На оптических микрофотографиях на рис. 5a отчетливо видны зерна и границы зерен спеченного сплава. Результаты рентгенодифракционного анализа, приведенные на рис. 5б, свидетельствуют об отсутствии аномального роста зерна при температуре спекания 950°C и о том, что все добавляемые элементы внедрены в матрицу. Таким образом, при спекании P и Si полностью диффундируют в матрицу, тем самым улучшая ударную вязкость и магнитные свойства сплава.

Из рис. 1 видно, что магнитная индукция насыщения систем Fe–xP и Fe–xP–0.45Si почти не изменяется при добавлении Si. Из рис. 4 видно, что когда содержание P составляет 0.4 вес. %, ударная вязкость резко уменьшается при добавлении Si. Однако по мере увеличения содержания P степень снижения ударной вязкости сохраняет тенденцию к уменьшению, пока на ударную вязкость не влияет добавление Si. При этом, как можно видеть из рис. 2, добавление Si может значительно повысить коэффициент трения, в основном из-за того, что Si имеет высокие твердость и температуру плавления и имеется возможность образования твердых частиц SiO2, повышающих коэффициент трения при торможении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы, изготовленные плазменно-искровым спеканием (SPS), имеют высокий коэффициент трения (0.55) и большую магнитную индукцию насыщения (2.0 Тл). Для изготовленных таким способом сплавов Fe–0.4P, Fe–0.4P–0.45Si и Fe–0.6P–0.45Si могут быть достигнуты повышенные значения ударной вязкости, составляющие 61.16, 24.79 и 23.49 Дж/cм² соответственно. При этом данные фрикционные материалы могут найти применение в тормозах высокоскоростных поездов, использующих электромагнитное и механическое торможение, повышая тем самым безопасность движения поездов.