CC BY
13
УДК 621.81
АНТИФРЕТТИНГОВАЯ НАНОМОДИФИКАЦИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ УГЛЕРОДОМ
М. В. Кочеткова, В. В. Смогунов
ANTIFRE TTING NANOMODIFIKATSIYA HETEROSTRUCTURES ULTRAFINE CARBON
M. V. Kochetkova, V. V. Smogunov
Аннотация. Статья посвящена изложению результатов исследований процессов деградации гетероструктур разъемных соединений фреттинг-износа. Исследованы контактные структуры, в том числе резьбовые крепления колес автомобиля. Предложены и испытаны технологии наномодификации поверхностей гетероструктур.
Ключевые слова: фреттинг-износ, гетерострукруры, антифреттинговая наномо-дификация, ультрадисперсный углерод.
Abstract. Article is devoted to presenting the results of research into the processes of degradation heterostructures detachable connections fretting wear. Contact structures are investigated including threaded mounting wheels. Proposed and tested technology nano-modifikatsii surfaces heterostructures.
Key words: fretting wear geterostrukrury, fretting nanomodifikatsiya, ultrafine carbon.
Введение
Деградация структур - весьма детально изученные процессы в рамках гомогенных структур и абсолютно недостаточно исследованные процессы, протекающие в гетерогенных структурах современных технических систем. Классические модели деградации базируются на представлениях Аррениуса, Гриффитса-Орована-Ирвина, С. Н. Журкова, Г. П. Черепанова и др., в которых не учитываются явления и процессы, протекающие на границах разнородных сред. Результаты исследований процессов деградации гетероструктур из разъемных соединений показывают, что более 50 % отказов гетерострук-тур происходит из-за фреттинг-износа контактирующих поверхностей. Разработаны новые технологии антифреттинговой наномодификации гетеро-структур ультрадисперсным углеродом.
1. Интеллектуальный анализ информации об отказах гетероструктур
Системный анализ отказов предполагает интеллектуальный анализ информации об отказах, экспериментальные исследования отказов, математическое моделирование процессов, приводящих к отказам.
Интеллектуальный анализ информации об отказах технических систем различного назначения, проведенный авторами настоящей статьи, показал, что в подавляющем большинстве случаев внезапные и постепенные отказы изделий металлургии, приборо-, машиностроения обусловлены отказами ге-тероструктур [1].
Отказы неразъемных гетероструктур, выполненных по технологиям сварки, пайки, напыления, склеивания, заливки, опрессовки и т.п., в основ-
ном связаны с субмикротрещинообразованием по границам раздела разнородных материалов.
Отказы разъемных гетероструктур - контактных, с натягом, шпоночных, резьбовых и т.п. - более чем в 50 % случаев связаны с фреттинг-износом контактирующих поверхностей. На рис. 1 приведены типовые этапы фрет-тинг-износа.
а)
б)
Рис. 1. а - начальный этап фреттинг-износа: 1 - материал контактных систем, 2 - продукты износа; б - конечный этап с полным заполнением зазора между поверхностями
Повреждения от фреттинг-износа ведут к нарушениям размерной точности, изменению микро- и макрогеометрии контактирующих поверхностей, а также к понижению качества функциональных параметров гетеростуктур.
Для начала процесса фреттинга достаточно очень малой амплитуды
скольжения х 10_7 1 1 При увеличении амплитуды относительного
скольжения поверхностей в местах контакта процессы, которые при этом развиваются, становятся обычным фреттинг-износом.
Величина износа при фреттинге напрямую зависит от давления.
2. Исследование резьбовых структур крепления колес автомобиля
Среди отказов разъемных гетероструктур самым опасным событием является отказ резьбовых структур крепления колес автомобиля. Крепление колес автомобиля представляет собой весьма ответственный процесс обеспечения безопасности транспортных средств. Это утверждение относится к разным классам транспортных средств: тяжелым ракетным комплексам типа АРС, мобильным комплексам, ракетным системам залпового огня, пассажирским системам, легковому транспорту и др.
Нашими исследованиями установлено:
- отказ резьбовых структур крепления колес автомобиля всегда связан с процессами фреттинг-износа и коррозии поверхностей;
- фреттинг-износ всегда связан с микроперемещениями связанных поверхностей и структур в системе «шпилька-гайка».
На рис. 2 представлено фото шпильки с фреттинг-коррозией переднего колеса Мицубиси А8Х, на рис. 3 - фрагменты осевого разреза гетерострукту-ры «шпилька-гайка», разрушенной при демонтаже переднего правого колеса авто Мицубиси АСХ, с частицами фреттинг-износа в резьбе при увеличении х40 и х80. При разборке разрезанного соединения и анализе частиц фреттинг-износа установлено, что преобладающая доля частиц намагнитилась, т.е. они являются металлическими частицами.
Аналогичные результаты получены для автомобилей других фирм -Тойота, Ниссан, Фольксваген и др.
х40 х80
б)
Рис. 3. Увеличение х40, х80 осевого разреза гетероструктуры «шпилька-гайка»: а - гетероструктура «шпилька-гайкам»; б - гайка
3. Анализ отказов гетероструктур контактных групп приборов
Ресурс контактных пар ограничивается увеличением переходного сопротивления, износом или разрушением поверхностей в зоне контакта. Для возникновения фреттинг-износа необходимым является проскальзывание между сопряженными поверхностями контактов, вызванное вибрациями, возвратно-поступательными движениями с относительно малыми перемещениями, скручиванием сопряженных деталей контактной пары и т.п.
Фреттинг-корозия является особой формой износа и по условиям возникновения и характеру проявления имеет следующие отличия от обычного износа при сочленении-расчленении:
- вследствие малой амплитуды смещений удаление продуктов износа из зоны трения затруднено, и повреждения при фреттинг-коррозии сильно локализованы на площадках действительного контакта;
- скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей отличается от традиционных скоростей при сочленении-расчленении. Так, при амплитуде скольжения 0,025 мм и частоте колебаний 30 Гц максимальная скорость равна 4,7 мм/с, а средняя скорость - 3 мм/с [2].
При фреттинг-износе появляются повреждения, такие как поверхностные микротрещины, натиры, образование канавок или раковин, которые заполняются порошкообразными продуктами коррозии.
В местах поверхностных контактов при фреттинг-износе могут возникать микрорезание, усталостное разрушение микрообъемов металла покрытия.
Выделяют три основные стадии развития фреттинг-коррозии металлов и сплавов покрытия электрических контактов в условиях сухого трения.
На первой стадии процесса фреттинга происходит упрочнение контактирующих поверхностей контакта и циклическая текучесть поверхностных слоев, большая часть выступов фактического контакта взаимодействует друг с другом упруго-пластически. Происходит схватывание ювенильного металла в соприкасающихся микронеровностях. Разрушившиеся вследствие усталости выступы и срезавшиеся узлы схватывания создают первичные продукты разрушения, из которых часть окисляется, большую часть продуктов износа на этой стадии фреттинга составляют металлические частицы.
На второй стадии фреттинг-коррозии в поверхностных слоях одновременно с усталостными повреждениями в виде ультрадисперсного слоя частиц металла и окислов в зоне трения формируется коррозионно-активная среда. На этой стадии действует механико-химический механизм интенсификации окисления металлических поверхностей, связанный с тем, что при знакопеременных контактных взаимодействиях в поверхностных слоях возникает мелкодисперсная структура, склонная к активному окислению. В поверхностном слое образуется смешанная структура - из металла покрытия и окислов этого металла, которая может играть защитную роль, уменьшая скорость износа. Образующиеся при фреттинг-коррозии металлов окислы высокой дисперсности придают процессу каталитический характер. Действие окислов проявляется в ускорении процессов адсорбции кислорода и влаги в активных радикалах. При этом между контактирующими поверхностями электрических контактов формируется реакционная электролитическая среда.
Третья стадия фреттинг-коррозии связана с окончательным разрушением зон повреждаемости контактных поверхностей, предварительно уже разрыхленных усталостными и коррозионными процессами [3].
4. Технологии наномодификации поверхностей гетероструктур
Технологии модификации поверхностей классифицируются следующим образом:
- изменения структуры всего объема металла: закалка, отпуск, нормализация, обработка холодом, термоциклирование;
- изменение поверхностного слоя: лазерная, плазменная, закалка, наплавка, электрофизическая и магнитная обработка;
- изменение химического состава поверхностного слоя: борирование, цианирование, азотирование, цементация, алитирование, химобработка, электроискровая обработка, ионная имплантация, жидкостная нанокарбонитрация;
- изменение энергетического запаса поверхностного слоя: обработка магнитными, электрическими, термомагнитными полями;
- изменение микрогеометрии поверхности: накатывание, выглаживание, калибрование, абразивная обработка, шлифовка, полировка;
- создание пленок на поверхности: оксидирование, сульфатирование, фосфатирование, осаждение из газовой фазы, катодно-ионная бомбардировка, хромирование, никелирование, кадмирование, напыление.
Среди множества технологий поверхностной модификации следует отметить технологию гальванического хромирования с ультрадисперсными алмазами, обеспечивающую антифреттинговую защиту контактных систем.
Известны способы снижения изнашивания при фреттинге, в частности при проектировании машин для контактирующих пар рекомендующие выбирать разнородные материалы, не склонные к химическому взаимодействию при фреттинге. Известен способ припайки на контактирующие участки защитных пластин из высокотвердых материалов, стойких к изнашиванию при фреттинге. Известны способы, заключающиеся в нанесении на контактирующие участки деталей защитных покрытий, например способ нанесения высокотемпературного фреттинг-стойкого защитного покрытия на лопатку газотурбинного двигателя методом воздушно-плазменного напыления.
Известен способ нанесения на поверхность трущихся деталей, работающих в условиях фреттинг-коррозии, защитного покрытия, представляющего собой градиентную твердую коррозионностойкую композицию.
5. Методика и результаты эксперимента
Нами предложена технология наномодификации поверхностей с применением ультрадисперсного углерода.
Для исследования фреттинг-износа была создана специальная установка (рис. 4). В состав установки входят вибростенд, генератор частот, усилитель, ноутбук, планшет для фиксирования результатов.
а)
Рис. 4: а - установка для исследования фреттинг-износа; б - схема установки для исследования фреттинг-износа: 1 - пластина-образец; 2 - стержень;
3 - вибратор; 4 - усилитель; 5 - звуковой генератор
Испытания на фреттинг-износ проводили на гетероструктурах «пластина-стержень» из стали 40 и стали 40 с ультрадисперсным углеродом и без.
Образцы «пластина» размером 50*50 см обрабатывалась шлифованием и полировкой. На звуковом генераторе варьировалась частота от 30 до 1000 Гц.
Поверхность в месте пятна контакта была исследована на микроскопе при увеличении *400. Результаты исследования приведены на рис. 5.
Рис. 5. Места пятен контакта пластины, покрытых ультрадисперсным углеродом со стержнем
Исследования шероховатости проводились путем снятия профило-грамм с поверхности образцов до и после фреттинга по общепринятой методике на профилографе-профилометре с автоматическим расчетом основных параметров и записью данных.
Заключение
Исследования, проводимые нами, показали улучшение в 2-2,5 раза качества контактируемой поверхности. Полученные результаты позволяют предположить перспективность технологии наномодификации поверхностей с применением ультрадисперсного углерода.
Список литературы
1. Динамика гетерогенных структур / О. А. Вдовикина и др. // Виброударозащита гетерогенных стуктур. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2005.
2. Сафонов, Л. И. Прямоугольные электрические соединители. Фреттинг-коррозия в электрических контактах / Л. И. Сафонов, А. Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. - 2009. - № 3.
3. Кочеткова, М. В. Проблемы резьбовых гетероструктур / М. В. Кочеткова, Д. В. Кочетков, В. В. Смогунов // Вестник транспорта Поволжья. - 2013. -№ 2 (38).
Кочеткова Мария Владимировна аспирант,
кафедра теоретической и прикладной механики, Пензенский государственный университет E-mail: penzgu.tmt@inbox.ru
Смогунов Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор, кафедра теоретической и прикладной механики, Пензенский государственный университет
Kochetkova Maria Vladimirovna postgraduate student, sub-department of theoretical and applied mechanics, Penza State University
Smogunov Vladimir Vasilyevich doctor of technical sciences, professor, sub-department of theoretical and applied mechanics, Penza State University
УДК 621.81 Кочеткова, М. В.
Антифреттинговая наномодификация гетероструктур ультрадисперсным углеродом / М. В. Кочеткова, В. В. Смогунов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 2 (10). - С. 171-177.
