CC BY
8
УДК 621.5
A.M. Ласица, A.M. Lasitsa, e-mail: lasitsa@jnail.rii
B.Г. Чуранкин, V.G. Churardán, e-mail: churvg@itiaÜ.ru
Омский государственный технический университет. г. Омск. Россия Omsk State Technical Uriiversityj Omsk, Russia
ДИНАЛШКА ВЗНОСА МОДИФИЦИР О ВАННЫХ СЛОЕВ
DYNAMICS OF WEAR MODIFIED SURFACE LAYERS
В статье предложена эффективная модель прогно'шровання износостойкости поверхностного слоя. Приведены результаты испытаний на тренне.
The paper proposes au efficient model for predicting the wear resistance of the surface layer. The the results of friction's tests are submit«!
Ключевые слова: накатывание, ионная импяаняящия, коррозионно-стойкая сталь, износостойкость.
Key words: rolling, ion implantation, stainless steel, wear resistance
Модифицирование поверхностного слоя является широко используемой технологической операцией. Во многих случаях именно поверхностный слой обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства и определяет ресурс работы изделия. В связи со сказанным, моделирование процессов шноса модифицированных поверхностных слоев является актуальной теоретической и прикладной задачей.
В общем случае динамика шноса поверхностного слоя зависит не только ог его характеристик, но также и от ряда факторов, связанных с условиями работы (давления в области контакта, температура, состояния поверхности контртела и множества других параметров) Многофакторность задачи чрезвычайно усложняет анализ, но не смотря на физическое различие процессов, возможно построение универсальной модели, позволяющей прогнозировать изменение эксплуатационных свойств изделия в процессе износа [1].
Рассмотрим изменение некоторой эксплуатационной величины у в процессе износа (это может быть значение коэффициента трения, твердости и т.д.). Предполагается что для модифицированного слоя значение данной величины - уш, а для основного материала - уо Сделаем несколько допущений о характере износа:
- предположим, что в процессе износа на поверхности образуются области, не покрытые модифицированным слоем и обладающие физико-механическими свойствами основного материала;
- предположим что области, покрытые модифицированным слоем и свободные от него, не оказывают взаимного влияния друг на друга (вклад модифицированного слоя в значение величины у предполагается пропорциональным площади, занятой модифицированным
слоем);
- предположим, что износ носит усталостный характер. Разрушение модифицированного слоя происходит в пределах площадей фактического контакта, случайно распреде-
125
ленных по поверхности и вероятность разрушения пропорциональна числу циклов воздейст-
Исходя из этих достаточно общих положений, легко получить уравнения изменения площади модифицированного слоя. Так как площадь разрушения пропорциональна оставшейся площади, покрытой модифицированным слоем, и числу циклов, то
dS - --San, (1)
"с
зависимость площади модифицированного слоя от числа циклов нагружения имеет вид
5 = , (2)
где S0 - значение первоначальной площади модифицированного слоя; Пр - число циклов, за которое будет изношен модифицированный слой (число циклов, за которое площадь модифицированного слоя уменьшится в е раз).
В предположении об отсутствии взаимного влияния модифицированных и не модифицированных областей, для значения величины у получим:
У = Ут f + Уо = + Уо(1 (3)
Последнее уравнение является частным случаем известного в теории вероятностей распределения Вейбулла-Гнеденко, используемого в трибологии дчя описания процессов износа [2]. Точность прогнозирования по уравнению тем выше, чем ближе динамика реального процесса к релаксационной (наибольшее согласие с экспериментом будет наблюдаться для слоев, износ которых требует большого числа циклов нагружения).
Для проверки соотношения (3) образцы из стали 95X18 в виде цилиндров диаметром 40 мм и толщиной 12 мм исследовались на машине трения ИИ501В Один из цилиндров был зафиксирован, второй вращался с частотой 150 об/мин. Трение осуществлялось в отсутствие смазки, прижимающее усилие составляло 100Н. Измерялся момент силы трения через каждые 100 циклов. Полученные результаты аппроксимировались с помошью соотношения (3). Параметры подбирались методом последовательных приближений, пока изменение D2 в двух последовательных приближениях не уменьшалось до 10~\ Кроме того исследовалось качество поверхности образца после трения.
В качестве сравнения выбирались исходный образец с твердостью HRC 53, высота микропиков 500 - 700 нм И образец прошедший комплексную обработку в виде накатки роликом из сплава ВК8 (твердость ролика HRC 86, твердость образца после накатки HRC 56) и последующей ионной имплантации ионами Cr при ускоряющем напряжении 80 кэВ до дозы насыщения. Подобные исследования, выполненные на стали 38Х2МЮА показали рачительное увеличение микротвердости поверхностного слоя. Так. имплантация нонов Мо в аналогичном диапазоне анергий позволила получить поверхностный слой с твердостью до HV875 (что соответствует HRC66) [3]. Контргелом в эксперименте служил образец из закаленной стали ШХ15 (размеры конгргела аналогичны размерам образцов, твердость конгрте-ла HRC 63).
Экспериментальные данные для необработанного образца н представлены на рис. 1 и 2. Аппроксимирующая кривая удовлетворительно описывает имеющиеся экспериментальные данные.
Наибольшие отклонения наблюдаются в областях, соответствующих приработке и почти полном истиранию модифицированного слоя. Значительная величина этих отклонений связана с тем. что для данного образца не существовало различий между свойствами поверхностного слоя и основного материала, за исключением микрорельефа поверхности. Фактически в первом образце реализуется переход от исходной шероховатости к шероховатости равновесной для данного процесса трения.
Pec. 1. Рнс. 2.
Совпадение аппроксимирующей кривой и экспериментальных точек для имплантированного образца значительно лучше (рис. 3) Расхождения наиболее значительны на этапе приработки, что связано со сложной динамикой процессов на данном участке.
N
Рис. 3. Рнс. 4.
На остальных участках предсказания на основании уравнения (3) находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Последнее может быть объяснено высокими эксплуатационным! характеристиками поверхностного слоя. В результате комплексной обработки была увеличена твердость модифицированного слоя, кроме того поверхность стала более однородной по своим свойствам. На рис. 4 приведено изображение поверхности образца после трения. Различия в состоянии поверхности имплантированного и не имплантированных образцов носят качественный характер. На поверхности имплантированного образца отсутствуют задиры, износ образца равномерный. Равномерность ишоса покрытия наиболее соответствует предположениям, используемым при получении аппроксимирующей зависимости (3); что обеспечивает хорошую сходимость экспериментальных и теоретических данных. Близкие результаты опубликованы в работе [4].
Библиографический список
1. Ласица А. М. Феноменологическая модель прогнозирования эксплуатационных свойств модифицированного поверхностного слоя ■' A.M. Ласица и др. И Вестник академии военных наук (спецвыпуск). - 2010 - № 3 (32) — С. 232—236
2. Крагельский И. В. Трение и износ - М.: «Машиностроение», 1968. - 480 с.
3. Ласица А.М Исследование качества боковых поверхностей зубьев шестерен, модифицированных ионами иттрия и молибдена / А.М. Ласица. В.Г Чуранкин. А. П. Моргунов // Вестник Курганского государственного университета. - 2006. - № 1 (05). - С. 59 - 60.
4 Ласица А.М. Комплексный метод улучшения фнзико-механическлх свойств поверхностного слоя конструкционных сталей / А.М Ласица, В.Г Чуранкин. А.П. Моргунов // Технология машиностроения. — 2012. -№ 5. — С. 42-44
