CC BY
36
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 621.891
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР И АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ ПАР ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ С РЕСУРСНЫМ СМАЗЫВАНИЕМ
© 2011 П.И. Маленко
Тульский государственный университет
Поступила в редакцию 10.11.2011
Известно, что при трении на контактирующих поверхностях взаимодействуют не исходные материалы, а вторичные структуры различного фазового состава, именуемые “третьим телом” и образующиеся в результате диффузии атомов из приповерхностных слоев и химического взаимодействия со средой - смазкой и воздухом [1]. Процесс образования “третьего тела” является термоактивируемым силой трения, а в зависимости от фазового состава адгезионные свойства “третьего тела” изменяются. В статье в качестве примера практического применения результатов проведенных экспериментальных и аналитических исследований рассматриваются запорные агрегаты автоматического стрелковопушечного вооружения, работающие в условиях ресурсного смазывания. При стрельбе в результате кипения происходит выработка смазки, а на трущихся поверхностях наблюдаются следы износа в виде задиров.
С целью повышения эксплуатационных свойств запорные агрегаты изготавливаются из теплостойких сталей типа 25Х3М3НБЦА. Химический состав стали приведен в таблице 1.
С целью повышения стойкости против задиров рабочих поверхностей деталей запорных агрегатов используется процесс никотрирования - низкотемпературного диффузионного насыщения азотом и углеродом. Последующее кратковременное оксимо-либденирование в среде перегретого пара на основе молибдената аммония MoO3 обеспечивает улучшение антифрикционных свойств и повышение коррозионной стойкости в кислых и щелочных агрессивных средах. Допустимая температура применения покрытий до 500 0С, допустимые удельные контактные нагрузки до 15 МПа, толщина покрытия - до 30 мкм. Химический состав полученных таким образом диффузионных слоев определяется магнетитом Fe3O4. В зависимости от температуры процесса насыщения также образуются гематит Fe2O3 или вюс-тит FeO. По всей толщине покрытия отмечается содержание сложных молибденосодержащих оксидов. На поверхности покрытия располагаются нитриды FeN, Fe2N и Fe3N, а на большей глубине находится карбонитридный слой - карбонитриды Fe3(N,C).
В качестве смазки использовалось индустриальное масло ИС-45 с содержанием серы не более 1,1%.
Экспериментальные исследования осуществлялись на машине трения, работающей по схеме “штифт-диск”, позволяющей воспроизводить режимы работы запорных агрегатов. Диапазоны изменения давлений на контакте 0,5 ... 10 МПа, скоростей - 1 ... 10 м/с. На установке параллельно производили измерение силы трения с последующим расчетом
коэффициента трения Iтр , сигналов акустической
эмиссии (аппаратурное сопровождение фирмы “Брюль и Къер”) и поверхностных температур [2,3].
Визуальный и рентгеноструктурный анализы показали, что с увеличением температуры на поверхности карбонитридного слоя формируется особая диссипативная прослойка. Если до температуры T<140 0C по мере выработки смазочного материала происходят процессы физической и химической адсорбции, то при более высоких температурах на микроконтактах начинают появляться вторичные структуры различного цвета: от бурого до оранжевого цвета. При T>600 0C на поверхности покрытия начинают образовываться когезионные вырывы вплоть до появления эффектов микротечения поверхностных слоев, являющихся предвестником микросварки контактных зон.
Фазовый состав вторичных структур оценивали безэталонным методом гомологических пар в нефильтрованном FeKa-излучении на рентгеновском микроанализаторе МАР-1А. На рис. 1 представлены графические распределения исходных и формирующихся в процессе трения вторичных фаз в кар-бонитридном слое.
В таблице 2 приведены результаты проведенного рентгеноструктурного анализа.
К исходным фазам, служащим донорами для формирования вторичных структур, относятся фазы Fe3N (е-фаза), Fe4N (у-фаза), a-Fe, Fe3Mo2.
Измеренные температурные диапазоны фазовых превращений в поверхностных слоях никотриро-ванной стали при трении заметно ниже аналогичных данных стандартных диаграмм состояния, полученных в изотермических условиях. Установлено, что снижение температур фазовых превращений связано с наличием в зоне трения высокочастотных температурных колебаний, названных процессом термо-циклирования. Процесс термоциклирования был промоделирован как для температур вспышки Твсп
1108
Механика и машиностроение
на микроконтактах шероховатых поверхностей [4], так и для температур Тсуб на субшероховатостях [5].
В результате возникает высокая скорость нагревания-охлаждения приповерхностных слоев, вызывающая повышенную скорость диффузии с поверхности трения как из глубины приповерхностного слоя (S, Si, P, Mo), так и из окружающей среды
(S,O).
Выделим четыре механизма формирования вторичных структур:
a-Fe^FeO или a-Fe^FeS2
или a-Fe^Fe2P или a-Fe^FeSi; y-Fe^Fe3O4; e-Fe^Fe2O3;
Mo^MoS2 или Mo^MoSi0>65.
Процессы распада исходных фаз и образования вторичных структур являются термоактивируемыми. Условие реализации данных процессов записывается следующим образом AQT>HaKr ,
(1)
где AQj - аккумулированная теплота, рассчитанная по колебаниям температуры вспышки Твсп или Тсуб;
Накт - энергия активации твердых растворов (табл.2).
По результатам рентгеноструктурного анализа определены данные по изменению объемного содержания вторичных фаз в зависимости от измеренной температуры трения. Они свидетельствуют об образовании пленок различной структуры и толщины, что дает возможность определить коэффициенты трения расчетным путем.
Для этих целей предложена следующая зависимость
(2)
где f(0)H =0,04 - нижнее экспериментальное пороговое значение коэффициента трения при T<140 0C; n_f =1,05-10-2-экспериментально определенный по-
казатель экспоненты.
Для нахождения верхнего порогового значения коэффициента трения, определенного как локаль-
ный коэффициент трения
рлок f тр
[2], использовалось
уравнение типа уравнения Аррениуса
гДОК
J тр
(3)
где У Н ак) - суммарная энергия активации (табл.
3);R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура; (-1 - суммарный грамммолекулярный вес фаз.
Локальный коэффициент трения представляет собой мгновенный местный коэффициент трения, образующийся на микровыступах шероховатой поверхности в пределах номинальной площади контакта. При этом имеет место неравенство
f
тр -min
<£
Тр
<
флок
ЧтР -TfBX
лок
изм
Таблица 1. Химический состав стали 25Х3М3НБЦА
Содержание элементов, % масс.
C Cr Mo Ni Si Nb V P S
0,24-0,29 2,8-3,2 2,8-3,2 0,40-0,85 0,05-0,20 0,08-0,10 0,1 <0,1 <0,1
Таблица 2.Температурные интервалы фазовых превращений и энергия активации двойных систем в поверхностных слоях никотрированной стали
Диффун- дирующий элемент Образующаяся фаза Температурный интервал (диаграммы состояния), 0С Темпера- турный интервал, 0С Энергия активации Нак^ (Дж/кг-моль)-10-
N y-Fe 680 .. . 1010 50 .. 380 146
N e-Fe 500 .. . 1010 50 .. 480 200
Mo a-Fe 800 .. . 1352 100 ... 450 239
O FeO 560 .. . 1400 50 .. 250 266
O Fe3O4 560 .. . 1597 50 .. 500 439
O Fe2O3 560 .. . 1583 200 ... 500 822
S FeS2 (тв. р-р) 700 . .. 900 100 ... 500 224
P Fe2P (тв. р-р) 700 . .. 850 100 ... 500 183
Si FeSi (тв. р-р) 1208 . . 1430 100 ... 400 201
S MoS2 (тв. р-р) 1947 . . 2197 100 ... 400 424
Si MoSi0,65 900 .. . 1100 100 ... 500 166
1109
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
Рис. 1. Характер изменения значений Ip рентгеновских пиков для фаз триботехнического слоя никотрированной стали в различных температурных зонах трения:
•-------•; ■-----■ - графики изменения содержания фаз во вторичных структурах.
Рис. 2. Изменение объемного содержания X т ф ,% вторичных фаз в различных температурных зонах.
1110
Механика и машиностроение
V 0
Таблица 3.Изменение суммарного процентного содержания фазового состава ^ т.ф. и коэффициентов трения в различных температурных зонах
Т, 0C 160 200 240 300 340 400 450 500
M н о ►6- 32,4 51,4 66,7 32,4 66,7 60 114 47
.ррасч f тр 0,04 0,11 0,14 0,07 0,14 0,13 0,28 0,08
Z Накт, Дж/моль 1607 1587 1526 1208 1227 1102 1058 788
RT |T , Дж/моль 490 540 557 448 436 989 1035 444
-расч 1,6 2,15 2,43 0,52 1,6 0,68 0,94 0,83
^лок f -изм 1,4 (1,8;1,6) (2,5;2,8) 0,7 (1,4;2) 0,66 0,8 0,76
Расчеты показали, что максимальные значения
гЛОК < о
Jmp — э
что является предвестником появления
схватывания вплоть до когезионных вырывов.
Подтверждением достоверности полученных результатов с помощью рентгеноструктурного анализа служат экспериментальные данные по оценке адгезионных свойств посредством метода акустической эмиссии [2]. В этой работе приведена следующая зависимость
н2
г лок 1 тр
где АэКсп. и Арасч. - соответственно ординаты спектрального разложения сигналов акустической эмиссии, полученные экспериментальным и расчетным
путем. Значения , полученные по формулам (3)
д эксп. ^ср.кв.
драсч.
^ср.кв.
тр
(4)
изм
и (4), практически совпадают, что служит подтверждением того очевидного факта, что основным трибологическим элементом процесса трения с ресурсным смазыванием является “третье тело” различного фазового состава. Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что опасными с точки зрения появления схватывания являются диапазоны температур 160 ... 240 0С и 320 ... 360 0С..
Выводы.
1. В результате проведенных исследований показано, что изменение фазового состава вторичных
структур на поверхности трения зависит от температуры.
2. Определена взаимосвязь фазового состава вторичных структур со специальным параметром - локальным коэффициентом трения, характеризующим фрикционные условия на отдельных локальных площадках на поверхности трения.
3. Полученные результаты могут быть использованы при определении противозадирной способности запорных агрегатов автоматического стрелковопушечного вооружения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рыбакова Л. М., Куксенова Л. И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982. 212 с.
2. Власов В. М., Маленко П. И., Зеленко В. К. Модель акустической диагностики поверхности трения в условиях смазывания //Трение и износ. 1999. Том 20; №5. С.489-495.
3. Маленко И. П., Маленко П. И. Аналитические и экспериментальные исследования температур при трении скольжения со смазочным материалом //Вестник машиностроения. №6. 2006. С.38-46.
4. Маленко И. П., Маленко П. И. Исследование температур на дискретных контактах при трении скольжения со смазочным материалом //Вестник машиностроения. №1. 2009. С.38-44.
5. Маленко П. И. Исследование температур на дискретных субшероховатых поверхностях при трении скольжения со смазочным материалом //Вестник машиностроения. №7. 2011. С.38-42.
RESEARCH OF PROCESS OF FORMATION OF SUPERFICIAL SECONDARY STRUCTURES AND ADHESION OF PROPERTIES OF PAIRS FRICTION OF SLIDING WITH RESOURCE GREASING
© 2011 P.I. Malenko
Federal state budget educational establishment of maximum vocational training
Tula state university
1111
