CC BY
38
УДК 620.178
DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-8-641-644
ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ
М. А. Марков1, А. А. Кукина2, Ю. А. Фадин2
1 Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет),
190013, Санкт-Петербург, Россия
2Институт проблем машиноведения РАН, 199178, Санкт-Петербург, Россия E-mail: [email protected]
Представлена методика, разработанная для быстрой оценки трибологических параметров износостойких материалов. Оценка износа основана на сравнении профилей поверхности материала до и после проведения испытаний на трение. Оценка коэффициента трения производится в условиях торможения.
Ключевые слова: коэффициент трения, износ, профиль поверхности, монокристалл сапфира, керамика из нитрида кремния
Коэффициент трения и величина износа — важнейшие трибологические параметры, знание которых необходимо при проектировании машин и механизмов, а также при создании новых материалов с заданными свойствами. Современная техника работает при высоких термосиловых нагрузках [1], часто достигающих экстремальных значений [2], что обусловливает потребность в материалах с высокими ресурсными показателями по прочности, усталости, износостойкости и температуре. Получение информации о характеристиках изнашивания таких материалов, как керамики и композиты, в частности об относительной износостойкости, о скорости изнашивания и объеме изношенного материала, представляет особую сложность. Следует подчеркнуть, что числовые значения трибологических параметров определяются только экспериментальным путем.
В повседневной материаловедческой практике создания материалов, работающих в узлах трения, решение задач по быстрой оперативной оценке свойств новых материалов позволяет сделать первичный отбор составов на уровне „лучше-хуже". Для отработки составов материалов требуется проведение большого числа испытаний с малым количеством вещества в условиях, отвечающих реальным нагрузкам. Стандартные испытательные машины не могут обеспечить износ керамик и композитов, который может быть измерен за приемлемое время (часы, сутки). Для проведения таких испытаний необходимо соответствующее оборудование и методики.
В настоящей статье представлены результаты разработки и создания методики для быстрой оценки трибологических свойств износостойких материалов.
Основой экспериментального подхода к оценке износа материалов с большой твердостью, например керамик и композитов, может служить измерение шероховатости поверхности износостойкого материала до и после проведения трибологических испытаний. Такие испытания, как это не парадоксально, должны проводиться быстро. По профилограмме поверхности, описывающей рельеф, можно определить нижнюю точку поверхности. Если эту точку принять за точку отсчета, то после незначительного износа, в пределах верхнего слоя материала, можно оценить износ наиболее высоких шероховатостей. Естественно, что исследовать точно одно и то же место поверхности материала до и после трения невозможно. Но оценку износа на основе статистики профилограммы в области дорожки трения получить можно. Кроме того, следует отметить, что при трении твердого материала по металлу происходит „наволакивание" металла на материал. За счет этого износ твердого материала невозможно
642
М. А. Марков, А. А. Кукина, Ю. А. Фадин
определить взвешиванием. В то же время если испытание происходит достаточно быстро, металл не успевает заполнить до дна самую глубокую впадину. Таким образом, предлагаемый подход к оценке износа заключается в оценке величины изменения параметра Я.ь который представляет собой сумму высоты максимального выступа профиля поверхности и глубины максимальной впадины в пределах длины профиля. В отличие от таких параметров, как Яа, Я2, которые считаются объективными показателями, т.е. подсчитываются на основе определенной статистики, параметр Я{ относится к экстремальным, так как он один на профило-грамме.
Известно, что при контакте шероховатых твердых тел в первую очередь взаимодействуют наиболее высокие шероховатости [3]. Относительную долю этих шероховатостей среди всех учтенных шероховатостей профиля можно определить по диаграмме Аббота. Их относительное количество на профиле описывается начальным участком на диаграмме Аббота и обозначается как а. Поскольку профиль имеет размерность длины, а область контакта имеет размерность площади (площадь контакта экспериментально определяется по площади металла, перенесенного на керамику во время трения), то площадь фактического контакта будет пропорциональна а2. Таким образом, чтобы оценить объем Ук изношенного материала, необходимо знать величину изменения параметра шероховатости АЯ(, площадь поверхности 5, на которой происходил контакт с металлом, и коэффициент а2:
= АЯ( 5а2.
Рассмотрим далее вопрос, каким способом можно обеспечить непродолжительность трения.
Для испытаний на трение целесообразно использовать схему палец-диск в условиях торможения. Общий вид экспериментальной установки, реализующей эту схему, показан на рисунке, где 1 — неподвижный палец исследуемого материала в зажиме, 2 — вращающийся
образец из стали 6Р5М, 3 — электромотор, 4 — маховики, 5 — фотоэлектронный датчик оборотов, 6 — направляю-шие, 7 — крепление мотора, 8 — станина, 9 — груз. Установка весьма эффективна для экспресс-анализа трибологи-ческих свойств материалов. Особых требований к габаритам и форме образцов нет.
Принцип работы установки следующий. Подвижный образец в форме диска, стержня, кольца, трубки или бруска вместе с маховиками разгоняется электромотором до максимальной угловой скорости 50 об/с. Неподвижный образец имеет форму пластины, кольца, цилиндра или произвольную форму с плоской площадкой. Грузы ( максимальной вес 200 Н), расположенные на подвижной траверсе, обеспечивают контактное давление при трении. Начальная скорость торможения в зависимости от конфигурации образцов пары трения может достигать 25 м/с. При торможении каждый оборот регистрируется фотоэлектронным датчиком. Данные, поступающие от датчиков, а также устанавливаемых по мере необходимости других измерительных устройств (термопар, датчиков колебаний, микрофонов и т.д.), передаются на электронный многоканальный самописец „Актаком 3707". При обработке данных могут быть определены как общее число оборотов,
так и длительность каждого из них. Коэффициент трения рассчитывается по формуле [4]
I =
J (ш2 -ш2) 2 ЬЫ
где J — момент инерции вращающихся масс; Ь — путь торможения, на котором угловая скорость изменяется от ш0 до ш; N — нагрузка.
Предложенный подход был проверен на ряде керамических и монокристальных материалов, работающих в паре трения со сталью ХВГ без смазочного материала. База трения для всех материалов была принята одинаковой и составляла 2 мм. Результаты испытаний приведены в таблице.
Материал Коэффициент трения AVw/L, м3/м
Монокристалл сапфира (призматическая плоскость) 0,25 3Д-10-14
Нитрид кремния 0,22 1,3-10-16
Разработанная экспериментальная методика для быстрой оценки трибологических параметров высокоизносостойких материалов позволяет получить значения коэффициента трения и объема изношенного материала, сопоставимые с литературными данными [5—8].
список литературы
1. Михеев С. В., Строганов Г. Б., Ромашин А. Г. Керамические и композиционные материалы в авиационной технике. М.: Альтекс, 2002. 276 с.
2. Костиков В. И., Варенков А. Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. М.: Интермет Инжиниринг, 2003. 560 с.
3. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 227 с.
4. Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения. М.: Машгиз, 1962. 120 с.
5. Дроздов Ю. Н., Хуршудов А. Г., Панин В. И. Метод выбора керамических материалов для пары трения кулачок-толкатель // Трение и износ. 1991. Т. 14, № 3. С. 479—486.
6. Kato К., Adachi К. Wear of advanced ceramics // Wear. 2002. Vol. 253. P. 1097—1104.
7. Poser K., Zum Gahr K.-H., Schneider J. Development of Al2O3 based ceramics for dry friction system// Wear. 2005. Vol. 259. P. 529—538.
8. Мedvedovski E. Wear-resistant engineering ceramics// Wear. 2001. Vol. 249. P. 821—828. Михаил Александрович Марков
Алина Анатольевна Кукина Юрий Александрович Фадин
Рекомендована кафедрой мехатроники Университета ИТМО
Сведения об авторах аспирант; СПбГТИ (ТУ); кафедра химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов; E-mail: [email protected]
ИПМаш РАН; мл. науч. сотрудник; E-mail: [email protected] д-р техн. наук; ИПМаш РАН; зав. лабораторией; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 05.04.16 г.
Ссылка для цитирования: Марков М. А., Кукина А. А., Фадин Ю. А. Экспресс-оценка трибологических свойств износостойких материалов // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 8. С. 641—644.
EXPRESS EVALUATION OF TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF WEAR-RESISTANT MATERIALS
M. A. Markov1, A. A. Kukina2, Yu. A. Fadin2
1St. Petersburg State Technological Institute (Technical University), 190013, St. Petersburg, Russia
2Institute of Problems of Mechanical Engineering of RAS, 199178, St. Petersburg, Russia E-mail: [email protected]
644 M. A. MapKoe, A. A. KyKUHa, №. A. 0aduu
A method for fast evaluation of tribological parameters of wear-resistant materials is proposed. Estimation of wear is based on comparison of analyzed material surface profiles before and after friction testing. Evaluation of the friction coefficient is performed in normal braking conditions.
Keywords: coefficient of friction, wear, surface profile, single crystal sapphire, silicon nitride ceramics
Data on authors
— Post-Graduate Student; St. Petersburg State Technological Institute (Technical University), Department of Chemical Technology of Silicate Materials; E-mail: [email protected]
— Institute of Problems of Mechanical Engineering of RAS; Junior Scientist; E-mail: [email protected]
— Dr. Sci.; Institute of Problems of Mechanical Engineering of RAS; Head of Laboratory; E-mail: [email protected]
Mikhail A. Markov
Alina A. Kukina Yury A. Fadin
For citation: Markov M. A., Kukina A. A., Fadin Yu. A. Express evaluation of tribological properties of wear-resistant materials // Izv. vuzov. Priborostroenie. 2016. Vol. 59, N 8. P. 641—644 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-8-641-644
