CC BY
156
УДК 669.295.5:539.62
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИКЕЛИДА ТИТАНА
В.А. Хохлов, А.И. Потекаев*, А.Н. Табаченко*, С.В. Галсанов
Томский государственный университет *Сибирский физико-технический институт им. акад. В.Д. Кузнецова, г. Томск E-mail: potekaev@spti.tsu.ru
Исследовано влияние скоростей скольжения идавлений на интенсивность износа, температуры в зоне контакта и коэффициенты трения. Показано, что сопротивление износу никелида титана намного выше, чем уклассических износостойких материалов. С позиций мартенситных превращений выявлены механизмы изнашивания и природа аномально высокой износостойкости. Определены интервалы изменения скоростей и давлений, в которых износ меняется от установившегося до катастрофического. Эти результаты дают возможность выбора их оптимальных значений при проектировании узлов трения.
Ключевые слова:
Триботехнические свойства, память формы, никелид титана, трение, износ.
Key words:
Tribological properties, shape memory, titanium nickeiide, friction, wear.
Введение
Никелид титана (Т1№) относится к классу материалов с памятью формы. Особенностью их является изменение фазового состава в условиях термического или силового воздействия. Эти изменения характеризуются прямыми и обратными мартенси-тными превращениями, в результате которых аус-тенитная фаза А переходит частично или полностью в новую мартенситную фазу М (реализуется прямое А^М превращение), существенно отличающуюся по свойствам от исходной. При снятии внешнего воздействия происходит частичное или полное обратное М^А превращения [1].
По опыту эксплуатации контактов с трением (например, в медицинской технике, в условиях абразивного изнашивания, в износостойких покрытиях и др.), а также по данным ряда научных работ никелид титана показал повышенную износостойкость, приближающуюся по этому показателю к высокоизносостойким материалам.
Важность исследования трения никелида титана несомненна, но информация в литературе по этому вопросу незначительна [2-7].
В данной статье приводятся результаты экспериментальных исследований износа, износостойкости, температур и коэффициентов трения сплавов никелида титана нескольких составов.
Методика и материалы исследований
Исследования проведены на машине трения СМТ-1 модели 2070 по схеме неподвижная колодка (образец) - жесткий вращающийся диск (контртело). Конструкция рабочего узла машины позволяла измерять температуру непосредственно вблизи зоны контакта образца с диском.
Использовались образцы в виде цилиндров диаметром 9 мм и высотой 10 мм следующих составов, отличающихся содержанием и характеристическими температурами начала мартенситного превращения М;. Т^М^Ре^ (ТН-1К), Д^Мз^,
Ti49i9Ni50j1, Ti49,2Ni50 8; Мн равнялась -80, 0, +40, -20 °С, соответственно. Для сравнения испытывались классические износостойкие материалы: БРАЖ 9-4, Чугун С42-40, Сталь 40Х.
Термообработка сплавов проводилась по режиму гомогенизирующего отжига: нагрев при давлении 10-3 Па до температуры 7=800 °С с выдержкой 1 ч.
Контртело (диск): сталь ШХ-15 с HRC=62 ед.
В ходе испытаний задавались давления ^=3,15...9,46 МПа, скорости вращения диска v=0,52...2,07 м/с. Регистрировались температура Т, весовой износ Q и момент трения, который пересчитывался на коэффициент трения /л.
Интенсивность изнашивания I определялась из отношения весового износа к пути трения. Исследования поверхностных слоев проводились на нанотвердомере «CSEM instruments» и 3D профилографе (профилометре) «Still».
Результаты исследования триботехнических свойств
На рис. 1 приведены зависимости весового износа Q от времени работы в период приработки и в установившемся режиме для всех исследуемых материалов. Как видно, износ никелида титана намного ниже износа традиционных износостойких материалов. Внутри группы сплавов TiNi выявить четкую зависимость износа от температур Мн не представилось возможным.
Отметим особенности кривых износа, вытекающие из рис. 1. Прежде всего, для никелида титана характерно малое по сравнению с другими материалами время приработки и достаточно быстрый выход на режим установившегося износа. Далее, при указанных v и q, как показывают наши опыты, имеет место очень длительный его временный интервал. Практически выйти на режим катастрофического износа при давлениях q до 4,72 МПа и скоростях v до 1,02 м/с нам не удалось. Из рис. 1 видно, что наиболее предпочтительным является сплав Ti49 9Ni501, однако различие в изно-сах указанных сплавов несущественное.
от одного к другому виду осуществляется в некоторых интервалах скоростей и давлений.
Большое влияние на характер износа и износостойкость оказывает температура в зоне контакта. На рис. 3 приведены зависимости температуры от давлений при разных скоростях для сплава Т149д№50,8, из которых видно, что идет возрастание Т при увеличении значений V и д. Причем температура увеличивается от исходной почти втрое при больших значениях V и д. Этот рост вполне достаточен для изменения структурно-фазового состояния, свойств поверхностных слоев и смены механизмов износа.
г, ° с
Рис. 2. Зависимости интенсивности изнашивания от давления при скоростях скольжения: 1) 0,52; 2) 1,02; 3) 1,57; 4) 2,07 м/с
Продолжим рассмотрение триботехнических свойств на примере сплава Т1492№508. На рис. 2 приведены зависимости интенсивности износа I от давления для разных V. Анализ опытных данных показал следующее.
• Во всех случаях наблюдается рост Iпо мере увеличения V и д.
• Различие в интенсивностях I для К1,02м/с и д<6,3 МПа небольшое (линии 1, 2 на рис. 2), а кинетика износа аналогична изменению I во времени при малых V и д.
• Большие значения скоростей скольжения и давлений приводят к неустойчивости процесса трения уже в начальные периоды времени (15...20 мин) и катастрофическому износу (линии 3, 4 на рис. 2).
• Наибольшее влияние на износ оказывает скорость скольжения. Это видно по линиям 3, 4 (рис. 2), согласно которым устойчивое течение процесса изнашивания нарушается уже в интервале ^1,02...1,57 м/с.
• Совместное действие высоких скоростей и высоких давлений приводит к неустойчивости процесса трения уже на ранней стадии изнашивания.
Следует отметить, что четкой количественной границы, разделяющей периоды приработки, устойчивого и неустойчивого трения, нет. Переход
Рис. 3. Зависимости температуры трения от давления при разных скоростях скольжения: 1) 0,52; 2) 1,02; 3) 1,57; 4) 2,07 м/с
Изменение коэффициентов трения /л в функции скоростей и давлений показано на рис. 4. Из полученных данных видно, что коэффициенты трения снижаются с возрастанием давления.
м
0,5
0.4
0,3
0,2
0,1
\л
^
д, МПа
Рис. 4. Зависимости коэффициентов трения от давления для разных скоростей: 1) 0,52; 2) 1,02; 3) 1,57 м/с
Аналогичные зависимости I, Т и л лишь с небольшими количественными изменениями были получены и для сплавов других составов.
Результаты исследования триботехнических свойств позволили на основе анализа зависимостей износа и интенсивностей изнашивания выделить три зоны I в зависимости от V и д. Первая -зона с легкими режимами работы ориентировочно при v< 1,0.1,2 м/с и д<5,1...5,2 МПа. Здесь наблюдается очень большой по времени участок установившегося износа. На этих значениях V и д основана работа большинства элементов и узлов с трением. Вторая - зона со средними режимами скоростей скольжения и давлений: ^1,2...1,4 м/с и д«5,3...5,8 МПа. На первой половине этих интервалов время установившегося износа достаточно велико, хотя и короче аналогичного участка первой зоны. Третья зона характерна значениями v> 1,4 м/с и д>5,8 МПа, при которых участок установившегося износа мал или отсутствует совсем. Работа узла в этом случае кратковременна, сопровождается вибрациями и скрежетом.
Разумеется, границы этих значений условны, т. к. они зависят от целого ряда факторов: материалов контактирующих пар, температуры, условий трения и т. п. Но, тем не менее, это деление дает ясное представление о характере процесса трения и износа в определенных скоростных, силовых интервалах и может быть использовано для оптимизации рабочих параметров при проектировании узлов трения.
Исследование продуктов изнашивания
Частицы износа являются активными участниками процесса трения. Образуя как бы третье тело, они участвуют в процессе трения и влияют на его ход и результаты. В нашей работе использовался оптический метод, обеспечивающий получение качественных (размерных) и количественных (весовых) характеристик частиц износа.
Рис. 5. Зависимость дисперсного состава частиц износа отдавления
На рис. 5 представлены зависимости дисперсного состава частиц износа от давлений. Из этой диаграммы видно размерное и весовое изменение частиц от мелкодисперсных фракций до крупных частиц при увеличении скоростей и давлений. На лёгких режимах работы частицы износа в большинстве случаев выглядят в виде тонких пластинок округлой формы с наибольшим размером Ь до 5 мкм (б;=бі). На средних режимах работы размеры их изменялись от 5 до 15 мкм (0=02). При тяжёлых режимах работы наблюдается изме-
нение формы частиц износа. Они представляют из себя частично плоские и объёмные фигуры Т1№ размером свыше 15 мкм (й=б3), а также пластины, завёрнутые в спираль или складчатой (гофрированной) формы больших размеров. Данные результаты свидетельствуют о смене вида изнашивания.
Анализ результатов исследования
Введем некоторые положения, касающиеся контакта образца и контртела.
Контакт дискретный. Касание тел происходит в микрообластях, суммарная площадь которых на порядки меньше номинальной. В каждом микрообъеме возникают давления, намного превышающие заданные. Поэтому процессы контактного взаимодействия и трения рассматриваются сначала на контакте единичных микронеровностей, которые в задачах трения моделируются, как правило, сферическими сегментами [2].
Возникновение больших фактических давлений приводит к А^М превращениями с образованием деформационного мартенсита, а повышение температуры вызывает обратное М^А превращение.
Поверхностные и подповерхностные слои имеют сложные строение и свойства. Так наши исследования [8] показали, что в приконтактной области под нагрузкой образуются три слоя с разным структурно-фазовым состоянием: слой аустенит-мартенситного состояния, слой со структурой мартенсита и приповерхностный слой белого цвета толщиной 5.30 мкм с ультрамелкими А-М кристаллами (наноструктурное состояние). Количественное их соотношение определяется температурой трения, нормальными и тангенциальными напряжениями, составом сплавов и другими факторами. Прочностные свойства, определяемые методом нанотвердости, этих областей различны. Так в приповерхностном слое твердость достигает максимальных значений, превышающих в 2... 3 раза твердость исходной А-фазы.
Возникновение белых слоев при трении характерно и для других материалов. Например, в стали они возникают, но только при больших давлениях. В никелиде титана они образуются во всех исследуемых нами диапазонах V и д. Поэтому естественно предположить, что процесс изнашивания Т1№ связан с периодическим разрушением этого слоя, удалением его в виде частиц и последующим нарастанием нового.
Проиллюстрируем состояние поверхностей трения фотографиями на рис. 6. На легких режимах работы поверхность однородная серого цвета со слабыми следами белого слоя (рис. 6 а). Общий вид дорожек трения в трехмерном изображении показан на этом же рисунке (цифрами указан размеры элементов). При увеличении V и д наблюдаются продольно поперечные растрескивания, сопровождающиеся появлением частиц износа и увеличением белого слоя. Вид дорожки трения такой
же, как и в предыдущем случае. В обоих случаях адгезионное взаимодействие и схватывание не наблюдалось (рис. 6 а, б). Эти интервалы параметров трения характерны образованием мелкодисперсных чешуйчатых частиц износа (рис. 5).
На рис. 6 в показаны поверхности износа при больших значениях д. Видно, что процесс срезания материала идет со слабыми следами схватывания -поверхности гладкие, выглаженные. Наблюдаются остатки белого слоя на гребнях дорожек трения и отдельные следы вырывов (адгезионное изнашивание).
В целом, по этим результатам можно отметить несколько особенностей.
Адгезионное взаимодействие, имеющее место в любых трущихся парах, в ИМ мало. Это связано с тем, что адгезия заметна в материалах, где формирование поверхностного слоя идет дислокационным путем, сопровождается разрушением за счет схватывания и диффузионно-дислокационного механизма [6]. В нашем случае отсутствие следов схватывания свидетельствует о другом механизме изнашивания, в частности, как будет показано ниже, - за счет отделения тонких поверхностных слоев в результате механоциклирования.
Разрушение поверхностных слоев и отделение частиц происходит в различных скоростно-силовых зонах по разным механизмам. В первой и частично во второй зонах, где продукты износа имеют вид мелкоразмерных чешуек, износ идет по ме-
ханизму усталостного разрушения. Здесь силовое воздействие на поверхностные слои сопровождается циклической сменой сжимающих и растягивающих напряжений в микрообластях контакта, приводящее к достижению предела усталости, и как следствие, - к разрушению микрообъемов. Предвестниками его являются накопление микроповреждений, образование концентраторов напряжений, зарождение микротрещин и слияние их в магистральную. Повышенная износостойкость ИМ объясняется тем, что в результате АоМ превращений поверхностные слои приобретают не только повышенную твердость, но и высокие пластичность и пластическую аккомодацию, приводящие к подавлению или затормаживанию образования предвестников и, соответственно, - к высокой усталостной прочности. Повышению ее способствует также упругая анизотропия кристаллов в поверхностных слоях. Например, коэффициент упругой анизотропии у ИМ в несколько раз ниже, чем у обычных материалов [9].
При высоких значениях V и д процесс разрушения вызывается, на наш взгляд, аномально высокой пластичностью металла в микрообластях контакта, инициированной высокими давлениями и локальными температурами. Не исключено появление квазижидкого состояния. В этом случае процесс разрушения идет путем сдвига и среза поверхностных слоев единичными микронеровностями контртела или наслаивания на них срезан-
ных слоев по типу наростообразования при резании и последующего удаления продуктов износа из зоны контакта. Процесс разрушения реализуется в условиях малоциклового нагружения.
Следует указать, что влияние скоростей ида-влений на разрушение различно при любых механизмах изнашивания (кроме хрупкого разрушения). Давление определяет уровень пластической деформации материала, в то время как повышение температуры приводит к частичному обратному М^А превращению, размягчению поверхностных слоев и облегчению деформации.
Понижение коэффициента трения при увеличении v и д (рис. 4) объясняется повышением прочности поверхностных слоев [10], а также малыми изменениями адгезионной и деформационной составляющих сил трения и уменьшением сдвигового сопротивления материала на поверхностях трения при возрастании сжимающей нагрузки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гюнтер В.Э., Итин В.И., Монасевич Л.А., Паскаль Ю.И. и др. Эффекты памяти формы и их применение в медицине. - Новосибирск: Наука, 1992. - 742 с.
2. Хохлов В.А. Контактное взаимодействие и трение покоя нике-лида титана // Вестник Томского государственного университета (Бюллетень оперативной научной информации, № 32, апр. 2004). - 2005. - С. 101-108.
3. Гельтман И. С., Рогов Н.В., Паньков В. И. Износостойкость плазменных покрытий на основе металлических соединений системы титан-никель // Трение иизнос. - 1985. - Т. 6. - № 1. - С. 167-170.
4. Куприянов И.Л., Шипко А.А., Наерман Я.М., Крепко Е.В. Исследование износостойкости рутиловых и никель-титановых газотермических покрытий // Трение и износ. - 1986. - Т. 7. -№ 4. - С. 722-725.
5. Семида В.В., Полотай В.В., Сорокин С.М., Гончарук Н.В. Триботехнические свойства никелида титана при трении без смаз-
Заключение
Исследованы триботехнические свойства нике-лида титана нескольких составов, различающихся по температурам начала мартенситных превращений.
Получены зависимости весового износа, интенсивности изнашивания, температур и коэффициентов трения при варьировании скоростей скольжения и давлений. Показано, что износ никелида титана намного ниже износа классических материалов, таких как износостойкие чугуны, бронзы, сталь.
На основе исследования поверхностей изнашивания, продуктов износа и анализа указанных зависимостей выявлены механизмы изнашивания и условия их смены при переходе от одного скоростно-силового режима к другому.
Доказано, что износостойкость никелида титана обусловлена его высокой усталостной прочностью при механоциклировании с трением.
Работа выполнена при финансовой поддержке по гос. контракту № 16.513.11.3121 от 12.11.2011 г.
ки // Трение и износ. - 1995. - Т. 16. - № 2. - С. 323-326.
6. Тарасов С.Ю. Исследование триботехнических свойств никелида титана // Перспективные материалы. - 1998. - № 5. -С. 24-30.
7. Perkins J. NiTi and NiTi1-x shape memory alloys // Ме1а11ш^у Forum. - 1981. - V. 3. - P. 153-163.
8. Хохлов В.А. Кинетическая нанотвердость и свойства пластически деформированного никелида титана // Современные проблемы машиностроения: Труды II Междунар. научно-техн. конф. - Томск, 2004. - С. 107-110.
9. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. - 216 с.
10. Любарский И.М., Палатник С.Л. Металлофизика трения. -М.: Металлургия, 1976. - 176 с.
Поступила 29.02.2012 г.
