CC BY
38
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 678.067:539.538
МЕТОДОЛОГИЯ СТРУКТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА
© 2011 Т.И.Муравьева, И.И. Курбаткин Институт проблем механики им А.Ю. Ишлинского РАН, г. Москва Поступила в редакцию 10.11.2011
Введение
В данной работе рассматривается процесс образования поверхностной плёнки вторичных структур (ВС), в которой реализуется механизм деформации при трении, протекающий без накопления дефектов, обуславливающих разрушение материала [1]. Такой процесс включает очень широкий круг как теоретических, так и экспериментальных исследований. Прогнозирование процессов, происходящих на контактной поверхности в настоящее время невозможно без математического моделирования. В работе [2] предложен комплексный подход, позволяющий разрабатывать антифрикционные материалы с требуемыми трибологическими свойствами. Описана модель образования плёнки ВС на поверхности антифрикционных материалов, используемых в качестве покрытий втулки подшипников скольжения тяжелонагруженных силовых агрегатов повышенной мощности. Проведено экспериментальное исследование свойств и состава образующихся защитных плёнок ВС, их влияния на работу подшипника в критических режимах трения. Установлена корреляция между теоретическими и экспериментальными данными.
Работа проводилась с целью исследования морфологии структуры и состава плёнок вторичных структур, образующихся при контактном взаимодействии для определения их эксплуатационных свойств.
Методика испытаний на первом этапе включала: трибологические испытания, которые осуществляли на машинах трения: модернизированной СМЦ-2, Т-10 (Польша) и UMT-2 (США), используя различные схемы, а так же при наличии смазочного материала (СМ) и без него. Анализ структуры поверхности и её микро- и нанорельеф проводили на зондовом сканирующем микроскопе марки «АИСТ-АСМ», кроме того использовалась сканирующая электронная микроскопия (“Philips SEM 505”), рентгеновский, локальный микроанализ («Genesis 2000 XMS 60 SEM»).
Результаты эксперимента и их обсуждение
Контактная пара трения скольжения: антифрикционный алюминиевый сплав марки А020-1 - чугун марки ВЧ.
Трибологические испытания показали, что алюминиевый сплав (колодка) имеет коэффициент тре-
ния, который составляет 0,006 - 0,008, нагрузка, при которой возникает задир, соответствует 1750 Н, при этом, коэффициент трения возрастает до значений 0,038. Испытания на износ показали, что для колодки он соответствует 0,31х10-4мг/час, для ролика (ВЧ) происходит прирост массы на величину -0,11х10-4мг/час. Как установлено, между чугунным роликом и антифрикционным материалом колодки на поверхности контакта начинается массоперенос и образование плёнки ВС, которая имеет сложный химический состав табл. 1.
На основании микроскопических исследований установлено, что зарождение плёнок ВС начинается в отдельных областях (микроучастках) рис. 1.
Из данных таблицы видно, что состав отдельных участков плёнки меняется как качественно, так и количественно. Светлая область по данным локального химического анализа представляет собой малолегированные оксиды и карбиды алюминия, кремния, железа. Её геометрические размеры по толщине и площади очень незначительны.
Как правило, она начинает образовываться в тех местах, где поверхность имеет дефекты: поры (рис. 1б), микроцарапины границы зёрен и фазовых областей, дефекты кристаллического строения и тому подобное. Изменения условий на контакте, связанные с ростом номинального давления и температурой, вызывают развитие процессов диссипации энергии, в результате которых происходит насыщение плёнки легирующими элементами из окружающей среды и входящими в состав контактирующих материалов. Следствием этого является рост её тол-щи-ны переход к более тёмному цвету на рис. 1а. Этот процесс и является началом формирования той плёнки, которая и обладает свойством твёрдой смазки. Экспериментальная толщина плёнки представлена в табл.1. Металлографический анализ и про-филлометрические исследования показали, что она имеет сложную топографию поверхности, которая состоит в основном из ровных и гладких участков и отдельных областей (налипов), возвышающихся над ней на 0,2 - 0,6 мк. Исследование структурных изменений на контактной поверхности при трении углепластика марки УГЭТ по стали 20Х13 Исследования, структурного строения поверхности контакта с помощью зондового сканирующего микроскопа показали, что увеличение нагрузки и скорости вызывает увеличение размеров зон, где происходит разрушение поверхности контакта рис. 2.
1144
Механика и машиностроение
SE1 I----ilOum 1010х
а
б
Рис. 1. Образование плёнки вторичных структур на поверхности контртела; а - снимок поверхности во вторичных электронах; б - 3D поверхность с элементами плёнки ВС.
Таблица 1. Состав и толщина плёнки ВС на чугунном вале при контакте с антифрикционным сплавом марки АО20-1
Исследуемые фа- Толщина Содержание элементов % масс
зовые области плёнки, мкм C O Al Si S Sn Cu Fe
Светлая область 0,20-0,30 2,9 3,5 1,3 0,5 - - - 91,8
Тёмная область 0,60-0,70 3,5 14,3 16,5 0,5 0,5 0,8 0,4 63,5
Пограничная область между торцевой и продольной ориентировкой волокон характеризуется наличием областей со значительными разрушениями и скоплением частиц износа рис.2а. Именно в этих областях происходит возникновение граничных эффектов. Необходимо отметить, что материал
при этом насыщается химическими элементами. Состав области приведён в табл. 3. Можно отметить появление таких элементов как железа и хрома, которые находятся в составе контртела. Углерод, кислород и азот присутствуют в материале углепластика и связующего.
а
б
Рис. 2. 3D изображение структуры контактной поверхности углепластика марки УГЭТ. Области разрушения по границам волокон с продольной (а) и торцевой (б) ориентировкой; (светлые области - частицы износа).
1145
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
Таблица 3.Состав и содержание элементов в зоне разрушения
Исследуемые области Содержание элементов % по массе
C N O F Na Mg Al Si Cl K Ca Cr Fe
Области разрушения 18,16 5,27 19,05 1,06 0,89 0,12 0,27 1,90 4,34 0,17 0,90 6,36 41,51
Остальные обнаруженные элементы могли появиться на частицах износа в результате адсорбции из окружающей среды. Поверхности излома углеродного волокна и частицы износа представлены на рис. 2б., на нем видны мельчайшие частицы, образующиеся при разрушении (светлые области).Таким образом, установлено, что при трении углепластика его структурные составляющие с различной ориентировкой относительно плоскости контакта образуют области, в которых механизм контактного взаимодействия проявляется по-разному, что существенным образом должно сказываться на триботехнических свойствах материала.
Результаты исследования бронзофторопластового покрытия
Основой для бронзофторопластового композита служит бронзовый порошок марки ПРБ-2 и фторопластовая суспензия марки Ф - 4Д. Покрытие наносится на подложку из бронзы марки БрОФ 6,5-0,15. Трибологические исследования антифрикционного покрытия при стационарном режиме, который используется в реальных условиях, предусматривает очень длительный процесс образования плёнки вторичных структур, обеспечивает коэффициент трения 0,06 - 0,08. При экспериментальном режиме была увеличена скорость образования плёнки вторичных структур на воздухе и она составляла десятки минут, при этом коэффициент трения соответствовал 0,12 - 0,18. Плёнка вторичных структур представлена на рис. 3 а, б. В процессе металлографических исследований
а
контактной поверхности образцов было установлено, что на ней происходит резкое снижение содержания фторопластовой фазы до 2,6%. Состав пленки ВС приведён в табл. 4.
Таким образом, при образовании оксидных плёнок и ВС происходит уменьшение значений шероховатости и выглаживание поверхности.
Заключение
На основании экспериментальных данных установлено, что уже в процессе приработки трущихся тел в зоне контакта начинает формироваться плёнка ВС. Основной причиной её образования является массоперенос химических элементов в зону контакта. Первоначально он развивается на отдельных участках. При повышении давления и температуры происходит насыщение образовавшихся плёнок химическими элементами. В результате происходит утолщение плёнки. Установлено, что плёнка имеет сложную топографию поверхности в виде отдельных областей, представляющих собой налипы. Выделяемая на поверхности вблизи пятен фактического контакта пластичная фазовая составляющая для алюминиевых сплавов это олово, а для бронзофторопластового покрытия это фторопласт, которые способствует залечиванию дефектов поверхности и улучшению условий трения, уменьшая тем самым вероятность образования задиров. Работа проведена при поддержке проектов РФФИ (09-08-00901-а; 09-08-01148) и Гранта Президента РФ на поддержку ведущих научных школ России (проект НШ-3288.2010.1).
Рис. 3. Структура контактной поверхности при образовании плёнки ВС; а - снимок поверхности во вторичных электронах; б - 3D изображение поверхности плёнки ВС с элементами морфологии и дефектами.
1146
Механика и машиностроение
Таблица 4. Состав поверхности антифрикционного слоя бронзофторопластового узла трения при экспериментальном режиме
.Исследуемые Содержание элементов % масс.
области C O F Si Sn Cr Fe Ni Cu
Участок фторопласта 12,5 21,2 7,2 1,0 2,8 1,8 13,9 2,2 37,4
Плёнка вторичных структур 8,8 26,4 - 0,9 1,7 1,1 9,9 2,1 49,1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2. Горячева И.Г., Курбаткин И.И., Буше Н.А., Моделирова-
ние процессов образования плёнки вторичных структур и
1. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостой- исследование ее св°йств//Зав°дская шбюраторж. Диаг-
кость металла. - М., Машиностроение, 1982, - 212 с. шстжа матертгот, Том 74, № 4, 2°°8. - С. 51 - 58.
METHODOLOGY STRUCTURAL RESEARCHES OF A CONTACT SURFACES
© 2011 T.I. Muravyeva, I.I. Kurbatkin,
Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences
1147
