CC BY
44
Деформационное поведение ионно-имплантированных а-железа и стали 45 при трении и износе в условиях подавления акустических колебаний
Б.П. Гриценко, К.В. Круковский, О.А. Кашин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Проведено исследование влияния высокодозной ионной имплантации на деформационные процессы, происходящие в приповерхностных областях а-железа и стали 45 при трении. Показано, что ионная имплантация может в десятки раз снижать величину износа на стадии приработки. Экспериментально установлено, что, демпфируя распространение акустических колебаний, генерируемых трибологической парой, можно существенно уменьшать износ образцов на первой стадии. Предложено объяснение кинетических кривых изнашивания, учитывающее влияние акустических колебаний, генерируемых в трибосистеме.
Strain-induced behavior of ion-implanted а-Fe and steel St 45 at friction and wear in the conditions of acoustic vibration damping
B.P. Gritsenko, K.V. Krukovskii, and O.A. Kashin
The influence of high-dose ion implantation on deformation processes in subsurface layers of а-iron and steel 45 at friction is investigated. It is shown that ion implantation can reduce wear in several tens of times at the run-in stage. It is experimentally established that changing conditions of distribution of acoustic waves, which are generated itself tribological device at friction, also possible to reduce deterioration of samples at the first stage. We offer scheme of development of deformation processes at friction in view of influence of the acoustic waves generated itself tribological device. It is scheme allowing explain to kinetic curve wear processes for various materials, including for ions implantation materials.
1. Введение
Разрушение материалов при трении сопровождается множеством сложных процессов, которые определяются как материалами трибосистем, так и условиями, в которых они работают. Поверхностные слои контактирующих твердых тел претерпевают очень сильные деформации. В конечном счете, результатом этих деформаций является разрушение материала. Установление закономерностей деформационного поведения материалов при трении, выявление факторов, на него влияющих, является одной из основных задач трибологии.
В настоящей работе на примере а-железа и стали 45 рассматривается влияние трех факторов на развитие деформационных процессов и кинетику изнашивания при трении: модификации поверхности материала методом ионной имплантации; создания объемной субмикро-кристаллической структуры воздействием интенсивной пластической деформации; акустических колебаний, возникающих в самой трибосистеме. Выбор факторов влияния определился следующим.
Известно, что высокодозная ионная имплантация значительно снижает интенсивность изнашивания при трении, но механизм такого влияния изучен пока явно недостаточно. Изменение микроструктуры приповерхностного слоя в результате ионной имплантации — изменение химического состава, образование новых фаз, измельчение зеренной структуры вплоть до аморфного состояния, безусловно, оказывает влияние на свойства материала (микротвердость, коэффициент трения и др.) и может приводить к повышению износостойкости [15]. Однако толщина модифицированных слоев, как правило, не превышает 1 мкм, поэтому они быстро уносятся при трении. Не помогает в данном случае и объяснение за счет так называемого «эффекта дальнодействия», который заключается в изменении дислокационной субструктуры в результате ионной имплантации на глубинах до нескольких десятков мкм. Этот эффект оказывается заметным только для хорошо отожженных однофазных материалов [6].
© Гриценко Б.П., Круковский К.В., Кашин O.A., 2004
При трении в приповерхностных слоях крупнозернистых материалов формируется субмикрокристалли-ческая структура, которая может оказывать существенное влияние на процессы изнашивания [3]. Однако в литературе практически нет сведений о деформационном поведении при трении субмикрокристаллических материалов, полученных воздействием интенсивной пластической деформации.
В процессе трения в материалах трибосистем возникает целый спектр акустических колебаний различной частоты и мощности, об этом свидетельствуют данные по акустической эмиссии [7-10]. Влияние акустических колебаний, генерируемых самой трибологической парой, на трение и износ в литературе практически не обсуждается, хотя в случае возникновения резонансных колебаний их энергия оказывается достаточной, для того чтобы способствовать разрушению материала. Это было подтверждено нами на примере твердосплавных пластин [7].
Таким образом, в литературе накопились экспериментальные данные, которые, с одной стороны, явно свидетельствуют о влиянии на процессы разрушения при трении акустических колебаний, измельчения структуры, модификации тонких слоев ионной имплантацией, с другой стороны, не ясно, как эти факторы связаны с разрушением материалов трибологических пар.
2. Методика эксперимента
Испытания образцов а-железа и стали 45 проводили по схеме «диск-палец» в режиме граничной смазки. В качестве смазки применяли индустриальное масло И-20. Контртело было изготовлено из стали ШХ 15. Исследования выполняли на специально сконструированной машине трения, аналогичной УМТ-1, но позволяющей изменять характеристики возникающих в процессе трения акустических колебаний. Давление при испытаниях составляло 3 МПа для а-железа и 1 МПа для стали Ст45, скорость 1 м/с. Измерения потери веса образцов в процессе испытаний на трение производили путем их взвешивания на аналитических весах. При испытаниях на трение использовались образцы а-железа в форме параллелепипеда с размерами 5х5х40 мм. Образцы Ст45 были цилиндрической формы диаметром 10 мм и высотой 20 мм, их предварительно отжигали в аргоне при атмосферном давлении в течение 3 ч при 850 °С, с последующим охлаждением в печи. После такой термообработки микроструктура представляла собой смесь из феррита и перлита примерно в равных объемах. Размер зерен после отжига составлял ~20 мкм.
В исходном состоянии средний размер зерен а-желе-за составил d ~ 28 мкм. Субмикрокристаллическое состояние в образцах а-железа получали методом всесторонней ковки со ступенчатым понижением температуры от 600 до 250 °С. При каждой температуре было выполнено по 2 цикла, каждый из которых включает три обжа-
тия со взаимно перпендикулярными осями нагружения. Из распределения зерен по размерам (рис. 1) видно, что имеются области с достаточно большими размерами. Микроструктура характеризуется равномерно распределенными дислокациями с невысокой скалярной плотностью р ~ 109 см-2.
Изучение деформационных процессов, происходящих в материале при трении, проводили на металлографических шлифах, плоскости которых проходили через пятно контакта и были ориентированы перпендикулярно поверхности трения и параллельно направлению движения образцов по контртелу. Такая схема позволила проследить изменение микроструктуры в объеме материала.
Для изучения влияния акустических колебаний на характер деформационного поведения и интенсивность износа при трении были проведены испытания с демпфирующими свинцовыми прокладками между торцевыми поверхностями образца, контртела и испытательной машиной. Толщина свинцовых прокладок составляла 3 мм для образцов и 15 мм для контртела. Предполагалось, что использование демпферов позволит эффективно изменять условия распространения акустических колебаний [11].
Для имплантации образцов использовали технологический ускоритель ионов «ДИАНА-2». Режим работы ускорителя частотно-импульсный, ускоряющее напряжение 60 кВ, частота следования импульсов 50 Гц, длительность 200 мкс, флюенс для всех образцов составлял 1017 ион/см2. Имплантацию проводили ионами Fe, РЬ, Мо и Si. Эти элементы при имплантации формируют в материале мишени различные структурно-фазовые состояния [1-3], что позволяет проследить влияние микроструктуры тонких приповерхностных слоев на развитие деформационных процессов при трении и износе.
3. Результаты эксперимента
Кинетические кривые потери веса образцов а-желе-за в исходном состоянии при трении (рис. 2, кривая 1) имеют обычный вид для износа в исследованных условиях: имеется стадия приработки с высокой скоростью
Рис. 1. Гистограмма распределения по размерам зерен армко-железа в различных состояниях
Рис. 2. Зависимости потери веса образцов а-Бе при испытаниях на трение: 1 — исходные образцы, 2 — имплантированные 3 — полученные методом интенсивной пластической деформации и отожженные при 600 °С, 4 — имплантированные Бе
Рис. 3. Кинетические зависимости потери веса исходных образцов стали 45 (1, 2) и а-железа (3, 4) при обычных испытаниях (1, 3) и с использованием демпферов при закреплении их на контртеле и образцах (2, 4)
изнашивания, которая переходит в стадию установившегося изнашивания. На второй стадии скорость изнашивания резко замедляется.
Снижение величины износа на стадии приработки наблюдалось после имплантации ионами Si и Бе (рис. 2, кривые 3, 4).
При испытаниях на трение образцов а-железа, подвергнутых воздействию интенсивной пластической деформации, уже после первых нескольких секунд происходило адгезионное схватывание. Это вынуждало досрочно прекращать испытания. Было предположено, что адгезионное взаимодействие обусловлено высокой не-равновесностью субмикрокристаллической структуры материала.
Для того чтобы привести структуру образцов армко-железа, подвергнутых воздействию интенсивной пластической деформации, к более равновесному состоянию был проведен отжиг в вакууме при 600 °С в течение 1 часа. После отжига средний размер зерен составил d ~ 4.8 мкм. Экспериментальные исследования показали, что микроструктура материала в результате отжига стала более равновесной, микротвердость снизилась до Н^ = 2 200 МПа. При испытаниях на трение отожженных образцов адгезионное схватывание поверхностей трения отсутствовало. При этом величина износа на стадии приработки уменьшилась в 1.7 раза по сравнению с образцами с исходной микроструктурой (рис. 2, кривая 3).
Изучение изнашивания Ст45 показало, что наиболее сильное влияние на износостойкость ионная имплантация оказывает также на стадии приработки. Разные имплантированные элементы влияют на величину износа с различной эффективностью. Потеря веса при трении к окончанию стадии приработки по сравнению с таковым для неимплантированных образцов Ст45 уменьшилась при имплантации ионами Бе примерно в 6 раз, РЬ — в 13, Мо — в 18 раз. В случае имплантации ионов Si износ оказался настолько мал, что при исполь-
зованной методике измерений его зафиксировать не удалось. На стадии установившегося изнашивания ионная имплантация не оказывает существенного влияния на износостойкие свойства стали.
Изучение влияния акустических колебаний, возникающих в самой трибосистеме в процессе трения, на износостойкость стали 45 и а-железа показало следующее. Использование демпферов также, как и ионная имплантация, снижает абсолютную величину износа к окончанию стадии приработки для обоих исследованных материалов (рис. 3). На стадии установившегося изнашивания применение демпферов не оказывает существенного влияния на износостойкость. Аналогичным образом изменение условий распространения акустических колебаний влияет и на изнашивание имплантированных образцов. Металлографические исследования Ст45 показали, что на исходных образцах, после испытания на трение в условиях без использования демпферов, непосредственно на поверхности трения наблюдается слой с характерным светлым контрастом, который отделен четкой границей от нижележащего материала.
Данный слой разбит на мезофрагменты поперечными полосками с периодом 3-4 мкм. Под поверхностным слоем зерна имеют вытянутую вдоль направления движения образца по контртелу форму. Это свидетельствует о значительной пластической деформации в подповерхностном слое в процессе трения на глубину до 50 мкм (рис. 4, а).
Аналогичные микроструктуры с тонким измененным приповерхностным слоем и следами пластической деформации наблюдались и для других исследованных образцах в исходном состоянии, имплантированных ионами железа при испытаниях с демпферами и без них. Слоев с характерным светлым контрастом и областей с вытянутыми зернами у поверхности не было обнаружено на образцах, имплантированных ионами молибдена и кремния (рис. 4, б).
Рис. 4. Микрофотографии шлифов образцов Ст45 после испытаний на трение: а — исходное состояние; б — имплантированный ионами молибдена образец
5. Обсуждение результатов
Анализ полученных в настоящей работе результатов и имеющихся литературных данных позволяет предполагать, что акустические колебания, возникающие в самой трибосистеме, вносят существенный вклад в разрушение армко-железа и стали при трении.
С первых моментов трения в образце возникают как объемные, так и поверхностные волны различных типов. Амплитуда колебаний в образце может существенно возрастать при наступлении резонансных явлений, когда частота вынуждающей силы совпадает с собственными частотами образца для какого-либо типа волн. Можно предполагать и образование стоячих волн, как это наблюдалось в [7]. Эти колебания способствуют более интенсивному развитию деформационных процессов и разрушению поверхностных слоев материала.
В результате деформационного упрочнения в процессе трения на стадии приработки формируется градиентный приповерхностный слой [12], который по мере образования постепенно снижает эффективность влияния акустических колебаний на износ (рис. 2). Подтверждением такого предположения являются результаты работы [8], в которой показано, что амплитуда сигналов акустической эмиссии при испытаниях на трение на стадии приработки уменьшается со временем и достигает минимального значения по окончании стадии приработки. На стадии установившегося изнашивания амплитуда акустической эмиссии и интенсивность изнашивания не изменяются со временем. Акустические колебания способствуют фрагментации материала в приповерхностном слое (рис. 4).
При ионной имплантации формируется ионно-модифицированный слой с резко отличающимися от основного материала физико-механическими свойствами. Его толщина при использованных режимах имплантации обычно не превышает 1 мкм. Этот слой, по-видимому, в большей степени влияет на распространение поверхностных акустических волн. Известно, что поверхностные колебания типа волн Рэлея или Лява в твердых телах локализуются в слое толщиной, примерно равной длине волны [13]. Таким образом, есть основания предполагать, что наличие даже такого тонкого модифицирован-
ного слоя может существенно изменять уровень акустических колебаний, оказывая тем самым влияние на величину износа.
Литература
1. Ионная имплантация // Под ред. Дж.К. Хирвонена. - М.: Металлургия, 1985. - 392 с.
2. Белый A.B., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы фор-
мирования износостойких поверхностных слоев. - М.: Машиностроение, 1991. - 208 с.
3. Легостаева Е.В., Панин С.В., Гриценко Б.П., Шаркеев Ю.П. Иссле-
дование процессов пластической деформации на макро-, мезо- и микромасштабном уровнях при трении и износе стали 45, поверхностно упрочненной ионной имплантацией // Физ. мезомех. -1999. - Т. 2. - № 5. - С. 79-92.
4. Пат. 2152455 Россия, МКИ С23С 14/48. Способ ионно-лучевой обработки изделий / Б.П. Гриценко, Ю.П. Шаркеев, В.В. Втору-шин. - Заявлено 31.12.1997; Опубл. 10.07.2000. - Бюл. № 19. -8 с.
5. Пат. 2192502 Россия. МКИ С23С 14/48. Ионно-лучевой способ повышения износостойкости материала изделий / Б.П. Гриценко,
B.В. Беспалов. Заявлено 04.12.2000; Опубл. 10.11.2002. - Бюл. № 31. - 6 с.
6. Шаркеев Ю.П., Колупаева С.В., Гирсова Н.В. и др. Эффект дально-
действия в металлах при ионной имплантации // Металлы. -1998.- № 1. - С. 109-115.
7. Беспалов В.В., Гриценко Б.П. Некоторые особенности разрушения твердосплавных резцов // Трение и износ. - 2000. - Т. 21. - № 5. -
C. 511-517.
8. Лебедев В.М., Баранов А.В. Акустические исследования работы трибосопряжений, смазываемых пластичными смазочными материалами // Долговечность трущихся деталей машин / Под ред. Д.Н. Гаркунова. - М.: Машиностроение, 1988. - Вып. 3. - С. 234243.
9. БулатовВ.П., Седакова Е.Б., Козырев Ю.П., Губанова Г.Н., Мелеш-
ко Т.К., Кудрявцев В.В. Применение метода акустической эмиссии для оценки изнашивания полимерных композитов на основе по-лиимида и политетрафторэтилена // Трение и износ. - 2003. -Т.24. - № 1. - С. 85-91.
10. Холодилов О.В. Влияние типа износа полимеров на параметры акустической эмиссии // Изв. АН БССР. Сер. физ.-техн. наук. -1980. - № 4. - С. 67-73.
11. Пат. 2191662 Россия. МКИ В 23 В27/00. Режущий инструмент / Б.П. Гриценко, В.В. Беспалов. Заявлено 20.06.2000; Опубл. 27.10.2002. - Бюл. № 30. - 8 с.
12. Лоцко Д.В., Милъман Ю.В. Структура приповерхностного слоя механически обработанных кристаллических материалов в связи с механизмом абразивного изнашивания // Трение и износ. -1993.- Т. 14. - № 1. - С. 73-84.
13. Улътразвук // Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голями-на. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - С. 346-347.
