CC BY
44
УДК 539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СХЕМЫ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СИНТЕТИЧЕСКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ СПЛАВОВ СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКИМИ ИЗМЕРЕНИЯМИ
© А.М. Игнатова
Пермский государственный технический университет, г. Пермь, Россия, e-mail: ignatovaanna2007@rambler.ru
Ключевые слова: наносклерометрия; симиналы; наноструктурные составляющие; схема абразивного изнашивания. В работе представлена схема абразивного изнашивания поверхности синтетических минеральных сплавов (сими-налов), основанная на результатах склерометрических измерений. Установлены структурные составляющие в структуре этих материалов (хромшпинелид, пироксен и нанозернистая фаза) и определены механические свойства и химический состав каждой их них.
Перед конструкторами и инженерами возникает масса важнейших задач, среди которых особенно важной является выбор материала для изготовления тех или иных деталей и элементов будущих изделий. От того, какой материал будет выбран, зависят практически все основные характеристики изделий; прежде всего это, ресурс работы, коэффициент полезного действия и износостойкость.
Численное значение износостойкости - величина весьма условная, поскольку зависит от того о каком конкретном виде износа идет речь, в каких условиях, какими средами (химический состав жидкости или газа, размер абразивных частиц воздействующих на материал) и каким образом происходит изнашивание.
Построение моделей изнашивания позволяет оценить эксплуатационные характеристики новых материалов. В связи с этим изучению фундаментальных основ процессов изнашивания уделяется особенное внимание. Механизм износа таких традиционных материалов, как черные и цветные металлы изучен достаточно полно, что позволило не только гармонизировать их использование в машиностроении и строительстве, но обеспечило основу для создания ряда новых сплавов с улучшенными свойствами. Процесс износа ряда неметаллических минеральных материалов, обладающих, как правило, сложной многофазной структурой, остается недостаточно изученным, что усложняет процесс их совершенствования в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями. Таким образом, изучение процесса износа неметаллических материалов со сложной структурой является актуально задачей.
В настоящей работе поставлена цель разработать модель процессов, происходящих в микрообъемах на поверхности синтетических камнелитых сплавов при абразивном изнашивании с помощью склерометрии.
Синтетические минеральные сплавы (симиналы) -это группа материалов, получаемых в результате переправления минерального или техногенного минерального сырья с низким содержанием оксидов железа и других металлов в своем составе (нерудного или обедненного), которые обладают такими эксплуатационны-
ми свойствами, как абразивостойкость, кислотостой-кость, термостойкость, термосплавоустойчивость и т. д.
В данной работе объектом исследования являлся синтетический минеральный сплав, полученный на основе горнблендита. Этот симинал используется в технологических конструкциях как абразивостойкой материал (например, футеровка трубопроводов, транспортирующих абразивные материалы и среды (абра-зив+вода)) и проявляет беспрецедентные показатели ресурса работы, исчисляемые десятками лет. Несмотря на успешный опыт использования, причины столь высоких показателей абразивостойкости не установлены. Схема микроструктуры такого симинала, данные о химическом составе и некоторые механические характеристики каждой структурной составляющей, установленные в результате проведенных нами исследований [1-3], представлены на рис. 1.
В представленной структурной схеме симинала (рис. 2) установлено, что в нем присутствуют составляющие, разные по строению, твердости и упругости. Так, величина нанотвердости изменяется от 10 (у хромшпинелида) до 1 ГПа (у нанозернистой межкри-сталлической прослойки) (рис. 2), а величина модуля упругости - от 100 (у хромшпинелида) до 70 ГПа (у нанозернистой межкристаллической прослойки). Между крайними по структурной схеме фазами присутствует промежуточная, твердость которой составляет 3 ГПа, а модуль упругости 90 ГПа, она установлена как пироксен [4].
Однако необходимо отметить, что данные электронной сканирующей микроскопии указывают на то, что названия фаз, заимствованные из геологической терминологии, могут использоваться относительно структурных составляющих синтетических минеральных сплавов только условно, поскольку они лишь крайне близки к известным природным минералам, но не идентичны им [5].
Сопоставив экспериментальные данные и известные теоретические зависимости [4, 5], нами было сформулировано предположение, что каждый элемент структуры играет определенную роль в механизме сопротивления материала изнашиванию. Иными словами,
Рис. 1. Микроструктура симинала: а - фото, выполненное при изучении петрографических шлифов на оптическом микроскопе в проходящем свете (х400); б - фото, выполненное при наноиндентировании оптическим микроскопом в отраженном свете (х1000); в - фото, выполненное при изучении образцов на электронном растровом сканирующем микроскопе (х3000)
каждый из них вносит определенный вклад в высокии показатель абразивной стойкости. Согласно нашей гипотезе твердые частицы раздробляют абразив при его перемещении относительно детали из синтетического минерального сплава, тем самым сокращая разбег в размерах абразивных частиц, а более «мягкие» амортизируют движение твердых частиц и препятствуют их выкрашиванию.
Для того чтобы проверить выдвинутую гипотезу, нами были проведены склерометрические испытания на поверхности горнблендитового сплава.
Склерометрия - метод, подразумевающий нанесение царапин на поверхность материала с помощью индентора при постоянной нагрузке, который позволяет измерить динамическую твердость материала, в т. ч. его способность сопротивляться внедрению абразивных частиц при динамическом перемещении их относительно материала.
Наносклерометрические испытания проводились измерительным комплексом NanoTest 600 (Micro Materials Ltd., Англия) [5, 6].
Испытание на приборе NanoTest 600 проводили по следующей схеме. Стандартный петрографический шлиф закрепляли на подложке клеем. Оптическим микроскопом, входящим в состав измерительного комплекса, выбирали площадку размером 100x100 мкм на поверхности образца для проведения испытаний и на ней визуально выделяли несколько структурных составляющих (рис. 3, с обращением к рис. 1 и 2). На этом участке было проведено два типа испытаний.
В задачи первого испытания входило снятие топологии поверхности образца, для этого на нем было проведено 20 сканирований с шагом по второй координате 5 мкм с минимальной нагрузкой на конический алмазный индентор в 0,1 мН. При этом с высокой точностью (1 нм) регистрировалось перемещение инден-тора по нормали к поверхности. После каждого сканирования индентор смещался относительно начальной точки сканирования вдоль второй координатной линии. Полученные результаты обрабатывались с помощью программного обеспечения комплекса и математического пакета, в результате чего было получено изобра-
fl П~
II
SiQі Сгю? fcq мпо мдр дно» нэзо к» сэо iiQa у»;
а б В Г Д
Рис. 2. Схема структуры симинала, химический состав и механические характеристики структурных составляющих симинала на основе горнблендита: а - схематическое изображение структуры симинала, б - расшифровка условных обозначений на схеме, в -диаграммы, демонстрирующие химический состав структурных составляющих, г - величины модуля упругости для каждой составляющей, д - величины микротвердости для каждой составляющей
жение топологии исследуемой поверхности, она представлена на рис. 4, размеры участка приведены в мкм, а высоты - в нм.
Второй тип испытаний заключался в нанесение ин-дентором царапин на поверхность исследуемого участка, при постоянной нагрузке в 200 мН. Первоначально нагрузка была возрастающей, она изменялась по линейному закону, от 0 до достижения рабочего значения (200 мН), поэтому при оценке результатов часть участка длиной 10 мкм, где испытание стартовало, не учитывали.
Данные, полученные в ходе второго испытания, также были обработаны с помощью математического пакета, результат представлен на рис. 5. Эти значения определялись как разность между начальной геометрией вдоль линии эксперимента и перемещением инден-тора с учетом приложенной нагрузки. Эту величину интерпретировали как глубину царапины.
Результаты первого склерометрического испытания по установлению топологии поверхности экспериментального участка показали, что визуально идентифицированные перед началом эксперимента структурные составляющие обладают разной высотой относительно базового уровня. Характер распределения пиков и впадин на трехмерной интерпретации результатов экспе-
римента упорядочен, причем таким образом, что можно наблюдать их четкое соответствие теоретической модели строения (см. рис. 1). Ориентируясь на упомянутую схему и топологическое трехмерное изображение, нами установлено, что наибольшей высотой в 2939 нм обладает наиболее твердое структурное составляющее хромшпинелид, его габаритные размеры на плоскости поверхности составляют приблизительно 20x20 мкм. Хромшпинелид окружен «пироксеновый кольцом» толщиной 25 мкм, высота которого значительно ниже и не превышает 550 нм, что подтверждает данные, полученные нами ранее и свидетельствующие о более низком показатели его твердости и достаточно высоком уровне пластичности. Остальная поверхность экспериментального участка возвышается над базовым уровнем на высоту величиной в пределах от 1500 до 2500 нм, что также подтверждает данные проведенных ранее исследований нанотвердости этого структурного составляющего. На рис. 6, а представлено условное разделение экспериментального участка (обозначен рамкой) на зоны в соответствии с тем, какое структурное составляющее выходит на поверхность на данном участке, а на рис. 6, б обозначены эти же зоны на трехмерном топологическом изображении.
Рис. 3. Участок исследования на поверхности литого синтетического минерального сплава (увеличение х1000)
Рис. 4. Топографическое изображение поверхности исследуемого участка на поверхности образца литого синтетического минерального сплава
-1000
--2000
--3000
-4000
-5000
-6000
--7000
--8000
Рис. 5. Топографическое изображение исследуемого участка поверхности литого синтетического минерального сплава после склерометрических испытаний
Рис. 6. Зональное распределение структурных составляющих на поверхности экспериментального участка: а - фото с оптического микроскопа в отраженном свете (*1000), б - трехмерное изображение топологии экспериментального участка (NanoTest 600)
Нзно- эернистая матрица Хромшпинелид Пироксен
- 1 V. —о— 1 г 1
1 ! 1 1 1 1 1 1 1
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 МКМ
Рис. 7. Топологический профиль поверхности экспериментального участка: 1 - до царапанья, 2 - после него
По результатам второго эксперимента, в ходе которого на поверхность экспериментального участка оказывалось воздействие коническим индентором под нагрузкой, установлено, что топология поверхности изменяется неравномерно, причем изменения распределяются, подчиняясь тому же порядку, что и в первом случае, т. е. для каждого идентифицированного в ходе первого эксперимента структурного составляющего характерна своя реакция на царапанье, имитирующее абразивное воздействие. На рис. 7 представлено сравнение двухмерных профилей поверхности, полученных в результате сканирующего и силового воздействия. Согласно этому сравнению, мы можем наблюдать, что на том месте, где был явный пик до царапанья наблюдается уплощение поверхности, а на месте «пироксено-вого кольца» - сильнейший провал глубиной относительно базового уровня в 6911 нм. Учитывая достаточно плавный характер изменения профиля в результате царапанья, можно утверждать, что разрушающих явлений в материале не произошло, приложенная нагрузка привела только к пластическим и упругим деформациям.
Опираясь на данные, установленные в ходе склерометрических испытаний, и сопоставление их с ранее установленными [5, 6], мы сформулировали характер процессов, происходящих в поверхностном слое синтетических минеральных сплавов при абразивном изнашивании следующим образом.
При контакте с поверхностью симинала абразивная частица сталкивается с твердъми структурнъми составляющими - хромшпинелидом, который в случае, когда его твердость превосходит твердость абразива, разбивает ее, тем самым уменьшая размер абразива и снижая его изнашивающую способность. Поскольку сверхтвердые частицы в структуре симинала хрупкие и при контакте с абразивом могут разрушаться и выкрашиваться, что приведет к тому, что отколовшиеся частицы сами начнут изнашивать основную массу материала в общем потоке с абразивом, они окружены «защитной» переходной структурной составляющей (пироксен), которая амортизирует ударные нагрузки, вследствие чего твердые структурные единицы не разрушаются при контакте с абразивом, а смещаются относительно своего положения, при этом не разрушая пространство вокруг себя.
В том случае, когда абразив тверже даже «рабочих» структурных единиц симинала, амортизирующая структурная составляющая смягчает нагрузку на твердую составляющую, а также препятствует распространению импульса от контакта с абразивом по телу материала.
Строение нанозернистой фазы, которая раньше считалась аморфной, поскольку кристаллические зерна в ней крайне малы (10-40 нм) и не идентифицируются с помощью оптических приборов, резко отличается от строения других кристаллических структурных составляющих, поэтому на границе между ними образу-
ется «структурный перепад». Благодаря ему трещины, которые возникают на микроучастках поверхности материала по причине накопления усталостных напряжений, не проходят по всему телу изделия, а останавливаются на границе между кристаллической и нанозернистой структурными составляющими.
Таким образом, в результате проведенных склерометрических испытаний:
- разработана схема абразивного изнашивания поверхности синтетических минеральных сплавов (си-миналов) склерометрическими измерениями;
- установлены структурные составляющие си-миналов (хромшпинелид, пироксен, нанозернистая фаза), определены их размер, положение в структуре и относительно друг друга;
- установлен химический состав, величина твердости и модуля упругости каждой из структурных составляющих.
Данные, полученные в результате проведенной работы, будут рекомендованы при создании новых видов симиналов с программируемыми эксплуатационными характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Игнатова А.М., Чернов В.П., Ханов А.М. Определение кристал-литности и аморфности в структуре горнблендитового каменного литья // Фундаментальное и прикладное материаловедение: труды VI Международной научной школы-конференции. Барнаул, 2009. С. 175.
2. Игнатова А.М., Потопов С.С., Гайдуков В.В., Ханов А.М. Расчет параметров фазовых и структурных составляющих каменного литья // АНТЭ-09: материалы V Всероссийской научно-технической конференции. Казань: КГАУ, 2009. С. 237-241.
3. Криштал М.М., Ясников И.С. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ. М.: Техносфера, 2009. 208 с.
4. Износостойкость / ред. А. А. Благонравов, Р. А. Матвеевский. М.: Наука, 1975. 183 с.
5. Игнатова А.М., Скачков А.П. Метод наноиндентирования для идентификации структурных составляющих каменного литья // Минералы: строение, свойства, методы исследования: материалы II Всероссийской молодежной научной конференции. Екатеринбург; Миасс: УрО РАН, 2010. С. 176-178.
6. Игнатова А.М. Разработка модели абразивного износа материала каменного литья с привлечением нанотехнологических исследований // Вестник Пермского государственного технического университета. Серия Машиностроение. Материаловедение. 2010. № 2. Т. 13. С. 131-146.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Ignatova A.M. Research and development of scheme of abrasive surface depreciation of synthetic mineral alloys by scleromet-ric alterations. The scheme of abrasive surface depreciation of synthetic mineral alloys (siminals) based on results of sclerometric measurements is introduced. The structured participations in these materials structure (chromshpinelid, pyroxene and nanogranular phase) are stated, mechanical properties and chemical compositions are determinated.
Key words: nanosclerometrics; siminals; nanostructured par-ticipatings; sheme of abrasive depreciations.
