CC BY
74
УДК 621.797
Особенности формирования
износостойкого металлокерамического покрытия
на поверхностях трения стальных деталей
Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Л. Леонтьев, В. Н. Макаров
Исследовано влияние модифицирования стали 40Хвермикулитом и композициями на его основе на три-ботехнические характеристики пары трения «сталь 40Х - антифрикционный материал», проведено сравнение скоростей изнашивания композиций вермикулита с политетрафторэтиленом (ПТФЭ), вермикулита с последующей модификацией ПТФЭ, а также с вермикулитами, модифицированными полисахаридом и полифенилсилоксаном (ПФС), и вермикулитом, обработанным соляной кислотой. Исследована скорость изнашивания стали на трех стадиях: первая - нанесение триботехнического состава на поверхность трения (3 мин), вторая - формирование покрытия (60 мин), третья - три-боиспытания (180 мин). Проведено сравнение ПТФЭ с вермикулитом, модифицированным ПТФЭ. Показано, что введение ПФС на поверхность вермикулита приводит к резкому падению скорости изнашивания на второй и третьей стадиях.
Проведен анализ масла на стадиях формирования покрытия и в процессе трибоиспытаний. Исследованы механические и топографические характеристики пленок на поверхностях трения. Наилучшие результаты получены для покрытий после обработки триботехническим составом, содержащим ПФС.
Ключевые слова: модифицирование, пара трения, триботехнический состав, триботехнические характеристики.
Анализ публикаций и патентов показывает, что для модифицирования поверхностей трения и формирования тонкослойных антифрикционных покрытий широкое применение нашли триботехнические составы: природные силикаты, имеющие слоистую структуру со слабой связью между слоями, которая облегчает сдвиг между ними, на основе серпентинита и вермикулита [1, 2], полимерсиликатные нанокомпозиты на основе политетрафторэтилена и серпентинита [3] и полиорганосилоксаны, содержащие металлы (N1, Со, Zn и др.) [4, 5], которые способны формировать защитные металлокерамические пленки на поверхностях трения. При этом потери энергии на преодоление трения могут существенно снизиться, а износостойкость сопряженных деталей повыситься в 2-4 раза. Шеро-
ховатость металлических поверхностей трения может также снизиться в несколько раз и составить по Яа 0,03-0,05 мкм.
Цель работы — исследование формирования и свойств износостойкого металлокера-мического покрытия на поверхностях трения стальных деталей при использовании смазочных композиций с различными триботехни-ческими составами.
Технологические параметры обработки три-босопряжений для создания тонкопленочного покрытия в каждом конкретном случае устанавливаются исходя из накопленного опыта или экспериментально. Заранее предсказать, как изменится их работоспособность после обработки триботехническими составами, затруднительно.
Для исследования особенностей формирования износостойкого металлокерамического покрытия на различных этапах технологического процесса модифицирования определяли механические характеристики тонкопленочного покрытия методом наноиндентирования на ультрамикротестере для динамических испытаний твердости материалов БиИ-2118 фирмы Shimadzu (Япония), топографию поверхности — с помощью сканирующего зондового (атомно-силового) микроскопа SPM-9600 фирмы Shimadzu с высоким пространственным разрешением, триботехнические свойства — на универсальной машине трения УМТВК, химический состав элементов в смазочном материале — методом мокрого озоления концентрированной серной кислотой в присутствии йодата калия (КЮ3) с последующим фильтрованием в мерную колбу на 0,5 л и определением элементов с помощью высокоскоростного атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Shimadzu 1СРЕ-9000.
Для уточнения механизма и времени формирования износостойкого металлокерами-ческого покрытия, а также влияния химического состава триботехнического материала на износостойкость проведены исследования на технологических стадиях (нанесение модификатора и формирование покрытия) и трибо-технические испытания, в процессе которых определяли механические (микро- и нано-твердость, модуль упругости и упругое восстановление поверхностного слоя), триботех-нические (скорость изнашивания, температура в зоне трибоконтакта и коэффициент трения) свойства покрытия и химический состав элементов в смазочном материале.
Для определения изменения механических свойств по глубине исходных образцов (после шлифования), а также после модифицирования и трибоиспытаний исследования проводили методом наноиндентирования на двух уровнях нагрузки: 19,61 и 196,1 мН.
Триботехнические испытания проводили по схеме «ролик — колодка» в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,628 м/с. В качестве неподвижного образца использовали колодки, вырезанные из вкладыша типа Ш11еп1а£ег (МШа 33). Ролик изготавливали из стали 40Х твердостью 217-220 НВ. Смазку пары трения осу-
ществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Для смазки применялось дизельное масло М-14-Д2 (цл 30) ГОСТ 12 337-84.
Износ образцов определяли на лабораторных весах с ценой деления 0,1 мг марки AUW 220D фирмы Shimadzu (Япония).
Установлено [7], что механические и триботехнические свойства тонкопленочного износостойкого покрытия зависят от технологии его формирования (химического состава и структуры модифицирующего материала, параметров режима нанесения материала на поверхность трения и его формирования), которое выполняется за две технологические операции.
1. Нанесение модифицирующего материала на поверхность трения и формирование отдельных участков покрытия. Время выполнения данной технологической операции в зависимости от энергетических параметров (скорости скольжения и усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности) составляет от одной до нескольких минут (максимум 6 мин). Содержание триботехнического состава в смазочном материале составляло 40 % по массе.
2. Формирование износостойкого металло-керамического покрытия (смазочный материал подается в зону трения без модификатора). Время выполнения — 1 ч.
Модифицирование поверхностей трения осуществляли фрикционным методом. На упрочняемую поверхность нанесли состав из модифицирующего материала и масла. В процессе упрочнения данную смесь подавали в зону трения каждые 15-20 с капельным методом. При модифицировании конструкционных сталей (например, 45, 40Х) предпочтительным является режим ступенчатого увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности: интервал 100 Н, минимальное усилие 100 Н, максимальное — 400 Н, время воздействия при каждой нагрузке — 1 мин. Индентор изготовлен из стали 45 твердостью 42-45 HRC.
Нагрузку при формировании покрытия и трибоиспытаниях изменяли в соответствии с режимами, приведенными в табл. 1. Время трибоиспытаний каждой пары трения — 3 ч.
Для исследования выбраны следующие материалы: минералы — серпентинит и природный алюмосиликат, органоминеральные
Таблица 1
Режимы испытаний
Нагрузка, Н/мм Время формирования покрытия, мин Время трибоиспытаний, мин, при режимах
стандартном форсированном
40 - 30 -
100 5 30 5
200 10 60 10
400 45 60 230
композиции — силикат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния, поли-мерсиликатные нанокомпозиты на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и силиката, которые, по данным исследователей [3], имеют неплохие триботехнические характеристики, и полиорганосилоксаны.
На основании ранее проведенных исследований [6, 7] в качестве базового материала взят минерал — алюмосиликат природного происхождения, имеющий следующий элементный состав, %:
8102 А1203 МёО Ре203 СаО
42,73 11,78 29,47 8,72 5,75
Т102 К2О МпО СГ2О3 Другие
0,85 0,14 0,17 0,47 0,27
Крупность размола алюмосиликата (до его обработки в кавитационном диспергаторе) — 1-20 мкм.
Для повышения антифрикционных свойств алюмосиликата его модифицировали соляной кислотой; элементный состав после химического модифицирования следующий, %:
81О2 А12О3 МёО Рв2О3 СаО
80,63 5,18 1,06 0,34 1,01
Т1О2 К2О МпО С1 Другие
0,17 0,36 0,17 2,19 0,19
Крупность алюмосиликата после его химической обработки находится в пределах — 15-20 нм.
Серпентинит, который применялся для исследований, имел следующий элементный состав, %:
81О2 А12О3 МёО Рв2О3 СаО
32,1 23,2 33,5 9,7 0,6
СГ2О3 К2О МпО Н2О
0,4 0,9 0,2 11,2
Крупность размола серпентинита (до его обработки в диспергаторе) — 1-10 мкм.
Природный полисахарид имеет молекулярную массу не более 200 000 Д, содержание воды — 8,8 %, С — 41,8 %, N — 7,5, п 1%-ного раствора — 88,0 ммг/с, степень дезацетилиро-вания — 84,0.
При введении различных триботехнических составов в машинное масло, кроме чисто механических процессов, протекает несколько процессов химического характера. Первый процесс — вытеснение присадки, обладающей гидрофильной природой, на поверхность металла, также обладающего гидрофильной природой поверхности. Об этом свидетельствует довольно высокая скорость изнашивания при использовании составов на основе силикатов на первой и второй стадиях процесса (табл. 2, рис. 1). В то же время гидрофобная присадка (ПТФЭ) (табл. 2, образец № 1) имеет очень низкие скорости изнашивания на первой и второй стадиях обработки вследствие отсутствия в ней абразивных частиц. Однако образующееся тонкопленочное покрытие обладает низкой долговечностью, поэтому необходимо, чтобы присадка ПТФЭ постоянно присутствовала в смазочном материале для восстановления покрытия.
Известно, что поверхности трения деталей имеют микронеровности. Под действием нагрузки поверхности индентора и упрочняемой детали сближаются, и при движении одной поверхности относительно другой начинается второй процесс — выступы микрорельефа ин-дентора удаляют пленки окислов, смазочного материала и т. д., имеющиеся на упрочняемой поверхности, и, набегая друг на друга, разрушаются. При использовании минералов, композиций с минералами и искусственных слоистых силикатов происходят шаржирование поверхности трения более твердыми частицами (по сравнению с упрочняемым материалом), входящими в состав минерала или композиции, и плотная нагартовка частиц в углубления микрорельефа.
Анализ скоростей изнашивания стали 40Х на различных этапах формирования покрытия показал (табл. 2, рис. 1), что природные силикаты обладают значительными абразивными свойствами, особенно в период нанесения материала на поверхность трения. Для по-
Таблица 2
Скорость изнашивания стали 40Х при нанесении модифицирующего материала, формировании покрытия и в процессе трибоиспытаний
Номер образца Состав для модифицирования Скорость изнашивания, мг/ч Коэффициент трения в процессе трибо-испытаний при максимальной нагрузке
при нанесении модифицирующего материала (3 мин) при формировании покрытия (1 ч) в процессе трибоиспытаний (3 ч)
1 ПТФЭ 0 0,3 1,0 0,054
2 Алюмосиликат 64 3,4 0,6 0,065
3 Алюмосиликат + HCl 28 1,7 0,1 0,022
4 Алюмосиликат, модифицированный 10 %ПТФЭ 14 2,8 0,4 0,050
5 50 %алюмосиликата + 50 % ПТФЭ 50 2,2 0,3 0,014
6 Алюмосиликат + HCl + полисахарид 40 5,3 0,3 0,036
7 Алюмосиликат + HCl, модифицированный полисахаридом 18 1,5 0,4 0,036
8 Алюмосиликат + HCl + MgCO3 10 0,9 0,5 0,065
9 Алюмосиликат + HCl, модифицированный 9 % ПФС 16 1,4 0,5 0,014
10 Алюмосиликат + 9 % ПФС 68 0,1 0,3 0,018
11 10 % (алюмосиликата + HCl) + + 90 % ПФС 38 5,6 0,2 0,022
12 10 %(алюмосиликата + HCl) + + 90 % серпентинита 50 1,4 0,5 0,014
П р и м е ч а н и е. Режим трибоиспытаний стандартный.
вышения антифрикционных свойств и снижения абразивного воздействия было применено химическое модифицирование алюмосиликата соляной кислотой, которое позволило уменьшить содержание ионов алюминия в минерале примерно в 2 раза и размер частиц до 15-20 нм и сохранить при этом исходную структуру. Химическая обработка позволила снизить скорости изнашивания на этапах формирования покрытия примерно в 2 раза, а при три-боиспытаниях — в 6 раз по сравнению с исходным алюмосиликатом.
Во всех случаях используется суспензия модификатора в масле, поэтому большое влияние на скорость изнашивания имеют размеры частиц и особенности строения слоистой структуры, которая в ходе данной работы изменялась под действием модификаторов. Для образца № 3 размер частиц, равный 15-20 нм, значительно меньше, чем у образца № 2 (табл. 2), поэтому наблюдается и наименьшее изнашивание на всех этапах исследования.
v, мг/ч' 40 35 30 25 20 15 10 5 0
40
28
2,3
18
1,7
1
01
16
15,
0,4
5,3
140,5 | И,„;
Рис. 1. Скорость изнашивания стали 40Х в зависимости от этапа формирования покрытия и материала модифицирования и в процессе трибоиспытаний от материала модифицирования:
□ — модифицирование; ■ — формирование покрытия; ■ — трибоиспытания; 1 — немодифицированная сталь; 2 — алюмосиликат модифицированный; 3 — алюмосиликат, модифицированный кислотой HCl и полисахаридом; 4 — алюмосиликат модифицированный + ПФС; 5 — алюмосиликат модифицированный + полисахарид
Для повышения антифрикционных свойств, снижения абразивного воздействия алюмосиликата и изменения структуры его легировали перспективными модификаторами путем химической и механохимических активаций.
Сравнение скоростей изнашивания стали после ее модифицирования алюмосиликатом (образец № 1, табл. 2), алюмосиликатом, модифицированным механохимически 10 % ПТФЭ (образец № 4, табл. 2), и механической композицией 50 % алюмосиликата + 50 % ПТФЭ показало, что механохимическое модифицирование резко уменьшает скорость изнашивания на первой стадии обработки, на второй стадии скорость уменьшается на 17,6 %, а в процессе трибоиспытаний — на 33,3 % благодаря плакированию поверхности алюмосиликата ПТФЭ. Механическая композиция алюмосиликата и ПТФЭ не имеет никаких преимуществ по сравнению с исходным алюмосиликатом, так как механическая смесь обладает высокими абразивными качествами, а ПТФЭ имеет низкие прочность и твердость и не оказывает положительного влияния, вследствие чего повышается изнашивание поверхности стали образца.
Присадка (образец № 6, табл. 2) — алюмосиликат, обработанный кислотой и полисахаридом, — обладает характеристиками, несколько худшими по сравнению с алюмосиликатом, обработанным только кислотой, но высокой износостойкостью в процессе три-боиспытаний (скорость изнашивания всего 0,3 мг/ч). Плакирование алюмосиликата, обработанного кислотой, полисахаридом (образец № 7, табл. 2), позволяет резко снизить скорость изнашивания в процессе первой и второй стадий формирования покрытия, однако скорость изнашивания покрытия примерно такая же, как и у образца № 6.
Наименьший абразивный эффект на первой и второй стадиях формирования покрытия показали присадки: алюмосиликат, последовательно модифицированный кислотой и карбонатом магния (образец № 8, табл. 2), и алюмосиликат, модифицированный последовательно кислотой и 9 % ПФС (образец № 9, табл. 2). В данном случае карбонат магния выполнил две функции: первая — нейтрализация избытка кислоты в вермикулите, вторая — введение ионов магния в межслоевое
пространство, которое структурирует алюмосиликат, аморфный после действия кислоты.
Для снижения абразивных качеств природных силикатов и их композиций использовали полифенилсилоксан (ПФС), который имеет стабильный химический состав [С6Н58Ю1,5]ге и слоистую структуру. Кроме того, обеспечивается возможность плакирования частиц природного алюмосиликата силоксаном для его модифицирования, снижения абразивных свойств и улучшения триботехнических. При этом создается минеральная силикатная основа, на которой формируется полимерное силикатное покрытие. Благодаря этому повышаются стабильность, прочность и долговечность антифрикционного покрытия на поверхности трения. Кроме того, ПФС имеет слоистую структуру с ¿100, близкую к ¿100 алюмосиликата, легко растворим в органических растворителях, и, таким образом, его легко наносить на поверхность алюмосиликата [7]. ПФС вводится также в межслоевое пространство алюмосиликата благодаря близости их межслоевых расстояний.
Присадка в образце № 9 (табл. 2) — алюмосиликат, обработанный кислотой и затем ПФС (9 %) в растворе толуола, — показала несколько худшие результаты по сравнению с присадкой в образце № 10 (табл. 2) — алюмосиликатом, обработанным механохимической активацией с 9 % ПФС. На первой стадии образец № 10 показал большую абразивную активность (в 5,8 раза) по сравнению с образцом № 9. Однако на второй стадии формирования и в процессе трибоиспытаний скорость изнашивания существенно меньше.
Композиция алюмосиликата, предварительно обработанного кислотой, с 90 % ПФС обладает высокими триботехническими характеристиками (образец № 11, табл. 2). Это связано с изменением природы поверхности суспензии вермикулита. Установлено, что ПФС имеет высокое сродство к поверхности алюмосиликата вследствие близости природы силоксановых связей ПФС и алюмосиликата. При модификации алюмосиликата ПФС кристаллическая поверхность минерала покрывается плотной щеткой фенильных радикалов, что снижает коэффициент трения. Кроме того, ПФС легко взаимодействует в этих условиях с ионами металлов и оксидами металлов, что приводит к образованию металлосилоксанов.
Таблица 3
Изменение содержания ионов металлов в смазочном материале на стадиях формирования покрытия и в процессе трибоиспытаний
Номер Материал Вид обработки Время обработки, ч Содержание ионов металлов, мкг/л Скорость
образца для модифицирования или испытания Cr Изменения, % Fe Изменения, % изнашивания, мг/ч
Нанесение 0,05 9,4 — 115,7 — 10,0
материала
6 Алюмосиликат + Формирование 1,0 12,6 34,8 205,0 77,2 1,3
+ HCl + полисахарид -1145 98,8 -107,5 1,0
Трибоиспытания 1 1,1 0 0 128,9 132,0 30,5 2,4 2,7 2,6
Нанесение 0,05 22,1 — 156,5 — 10,0
Алюмосиликат + материала
9 + HCl, модифициро- Формирование 1,0 27,7 25,3 225,2 43,9 0,5
ванный 9 % ПФС 1,1 -2419 118,8 -89,6 2,7
Трибоиспытания 1 1,1 1,2 0 9 123,8 142,1 4,0 12,9 0,6 0
Нанесение 0,05 30,6 — 160,5 — 58
материала
10 Алюмосиликат + Формирование 1,0 41,5 35,6 258,3 60,9 0,1
+ 9 % ПФС 2,6 -1496 124,5 -107,5 1,1
Трибоиспытания 1 1,0 1,1 -160 9 147,6 174,0 18,5 17,9 1,9 1,1
П р и м е ч а н и е. Режим трибоиспытаний стандартный.
Композиция алюмосиликата, предварительно обработанного кислотой, с 90 % серпентинита обладает удовлетворительными три-ботехническими характеристиками (образец № 12, табл. 2) на двух стадиях формирования покрытия и в процессе трибоиспытаний.
Для того чтобы уточнить механизм процессов на первой и второй стадиях, был выполнен химический анализ на содержание ионов металлов в маслах (отбор производился после прохождения смазочного материала зоны трения) при действии различных присадок, имеющих высокие скорости изнашивания в процессе формирования покрытия (образец № 6, табл. 2), низкие скорости изнашивания в процессе формирования покрытия (образец № 9, табл. 2), высокую скорость изнашивания на первом этапе формирования покрытия и минимальную скорость на второй стадии (образец № 10, табл. 2) после каждой стадии формирования покрытия и в процессе трибоиспытаний (табл. 3). В качестве основного индикатора был взят хром, так он входит в состав только основного металла образца, в качестве вспомогательного — железо, которое входит в состав индентора и материала модификатора.
Анализ содержания ионов металлов хрома и железа в смазочном материале на стадиях
формирования покрытия показывает, что изнашивание происходит не только на первой стадии (нанесения модифицирующего материала), но и в процессе формирования покрытия, причем количество элементов в смазочном материале на второй стадии значительно больше, чем на первой вследствие большей длительности процесса. Следует отметить, что использование алюмосиликата без его обработки кислотой приводит к более высокому содержанию ионов хрома в смазочном материале из-за его повышенных абразивных свойств.
После формирования покрытия в процессе трибоиспытаний содержание ионов хрома в смазочном материале резко сокращается (примерно на порядок), что объясняется наличием покрытия и отсутствием износа стальной основы. При использовании алюмосиликата содержание хрома в смазочном материале на этапах формирования покрытия и первого часа трибоиспытаний примерно в 2 раза больше, чем при применении алюмосиликата, модифицированного кислотой, за счет содержания хрома в материале модификатора.
Содержание ионов железа в смазочном материале на стадиях формирования покрытия и в процессе трибоиспытаний изменяется в меньшей степени, так как они являются основным элементом образца и индентора,
Таблица 4
Изменение температуры в зоне контакта трибосопряжения и коэффициента трения в процессе формирования покрытия и трибоиспытаний
Вид обработки или испытания Нагрузка на образец, Н/мм Время обработки или испытания, мин Максимальная температура в зоне контакта, °С / среднее значение коэффициента трения
алюмосиликат, модифицированный HCl, + + полисахарид алюмосиликат, модифицированный HCl и плакированный 9 % ПФС композиция алюмосиликат + 9 % ПФС
Формирование 10 5 39 / 0,028 39 / 0,057 34 / 0,057
20 6-15 45 / 0,043 45 / 0,043 42 / 0,050
40 16-25 60 / 0,022 60 / 0,036 56 / 0,043
26-35 65 / 0,036 65 / 0,007 65 / 0,029
36-45 67 / 0,029 67 / 0,014 66 / 0,014
46-60 68 / 0,022 68 / 0,014 69 / 0,014
Трибо-испытания 10 5 35 / 0,028 32 / 0,029 36 / 0,029
20 6-15 35 / 0,028 34 / 0,028 39 / 0,025
40 16-30 41 / 0,028 44 / 0,022 61 / 0,021
31-45 42 / 0,022 43 / 0,020 69 / 0,012
46-60 40 / 0,029 42 / 0,012 68 / 0,012
61-90 39 / 0,022 44 / 0,022 53 / 0,028
91-120 41 / 0,029 45 / 0,023 53 / 0,014
121-150 42 / 0,028 45 / 0,022 49 / 0,016
151-180 44 / 0,032 45 / 0,022 46 / 0,020
содержатся в материале модификатора и входят в состав покрытия. После формирования покрытия в процессе трибоиспытаний содержание ионов железа в смазочном материале уменьшается примерно в 2 раза, однако по мере износа покрытия их количество плавно возрастает вследствие увеличения доли железа в покрытии. При использовании алюмосиликата содержание ионов железа на стадиях формирования покрытия и в процессе трибо-испытаний несколько больше вследствие повышенных абразивных свойств по сравнению с алюмосиликатом, обработанным кислотой.
Образование металлокерамической пленки на поверхности металла подтверждается уменьшением скорости изнашивания примерно на порядок при использовании модификаторов трения на основе алюмосиликата и серпентинита, а также результатами рентгено-электронной спектроскопии [5, 6].
Следует отметить, что, если износостойкое покрытие не сформировано, наблюдаются переход частиц минералов с поверхности вала и их внедрение в антифрикционную поверхность вкладыша подшипника, вследствие этого происходит интенсивное изнашивание вала, а износ вкладыша практически отсутствует.
Для уточнения времени формирования покрытия фиксировали температуру в зоне три-
боконтакта и коэффициент трения в процессе формирования покрытия (табл. 4). Установлено, что коэффициент трения вначале формирования покрытия имеет высокое значение, которое постепенно снижается и через 3545 мин, в зависимости от состава модификатора, стабилизируется.
Наличие ПФС является положительной добавкой, так как позволяет получить меньшее значение коэффициента трения покрытия.
Переход от пары трения металлокерамика — металлокерамика после сформирования покрытий на сопряженных стальных поверхностях к паре трения вал — вкладыш (трибо-испытаниям) повышает коэффициент трения и снижает температуру в зоне трибоконтак-та. Более высокая температура в зоне трибо-контакта в процессе формирования покрытия объясняется более низкой теплопроводностью металлокерамики по сравнению со сталью.
Известно, что механические свойства поверхности в процессах трения и модифицирования изменяются. Результаты исследования приведены на рис. 2 и 3. Установлено, что при формировании покрытия на первой стадии существенно уменьшается модуль упругости поверхностного слоя для большинства модификаторов (рис. 2, а) вследствие того, что минералы имеют модуль упругости
а)
E х 10-5, мг/ч
40 35 30 25 20 15 10 5 0
б)
704
HV 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Рис. 2. Механические свойства поверхностного слоя стали 40Х в зависимости от вида обработки и материала модифицирования: а — модуль упругости; б — динамическая нанотвердость;
□ — шлифование; □ — модифицирование; I — формирование покрытия; I — трибоиспытания; 1 — немодифицированная сталь; 2 — алюмосиликат + HCl; 3 — алюмосиликат + HCl + + полисахарид; 4 — алюмосиликат + HCl + ПФС; 5 — алюмосиликат + HCl + полисахарид
примерно на порядок меньше, чем сталь. Исключение составляет композиция алюмосиликат + HCl, модифицированный ПФС, которая увеличивает модуль упругости поверхностного слоя в 4 раза по сравнению с исходным значением. Добавление полисахарида в алюмосиликат не изменяет модуль упругости поверхностного слоя стали.
На второй стадии формирования покрытия происходит как увеличение, так и уменьшение модуля упругости поверхностного слоя в зависимости от химического состава модификатора. Минимальные значения упругого
восстановления покрытия обеспечивают алюмосиликат, обработанный кислотой, и композиция алюмосиликат + HCl, модифицированный ПФС.
В процессе трибоиспытаний низкие значения модуля упругости покрытий возрастают, а высокие значения — уменьшаются, причем стремятся к значениям модуля упругости стали вследствие износа и уменьшения толщины покрытия в процессе жестких нагрузок и трения при граничной смазке и существенного влияния основы на измеряемое значение. Значения модуля упругости стали (без покрытия) в процессе трибоиспытаний возрастают более чем в 2 раза. Таким образом формирование покрытия на второй стадии завершается.
Твердость поверхностного слоя на первой стадии формировании покрытия не изменяется. На второй стадии формирования покрытия происходит как увеличение, так и уменьшение твердости, причем твердость большинства покрытий изменяется незначительно, исключение составляет композиция алюмосиликат + HCl, модифицированный ПФС, применение которой приводит к увеличению более чем в 2 раза.
В процессе трибоиспытаний твердость как исходной стали, так и большинства покрытий увеличивается, за исключением композиции алюмосиликат + HCl, модифицированный ПФС. Наиболее стабильные значения твердости обеспечивают алюмосиликат, обработанный кислотой, и алюмосиликат, обработанный кислотой и полисахаридом.
Для оценки упругости поверхностного слоя определяли значения упругого восстановления покрытий (рис. 3), которую рассчитывали по формуле
h - h w — max "Г
yve
hm.
ax
где Нтах — максимальная глубина отпечатка при максимальной нагрузке; Нг — глубина остаточного отпечатка после снятия нагрузки.
Анализ значений упругого восстановления поверхностного слоя стали и формируемых покрытий показал, что наличие в модифицируемом материале ПФС и полисахарида значительно увеличивает их значения. Модифицирование поверхности только минералами
Параметры шероховатости поверхностей трения стальных неупрочненных образцов в процессе испытаний в условиях трения при граничной смазке существенно изменяются, а именно: увеличиваются параметры шероховатости только в направлении, перпендикулярном к направлению вращения образца, вследствие образования царапин и рисок на поверхности (табл. 5) из-за наличия механических примесей в циркуляционном масле СОД, средний шаг неровностей профиля возрастает в обоих направлениях более чем в 5 раз.
Максимальные значения параметров шероховатости (Ra и Rz) достигаются при модифицировании стали композицией 10 % алюмосиликата + + 90 % серпентинита (образец № 12, см. табл. 2), они превышают даже значения параметров шероховатости неупрочненной стали. Минимальные значения параметров шероховатости получаются после модифицирования стали композицией алюмосиликат + HCl, модифицированный 9 % ПФС, и алюмосиликатом, модифицированным кислотой и карбонатом магния (табл. 5). Модифицирование стали алюмосиликатом, модифицированным ПТФЭ или ПФС, позволяет получить топографию поверхности, близкую к идеальной, которая обеспечивает высокую фактическую площадь контакта, минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля при хорошей маслоудер-живающей способности благодаря большому количеству микровпадин с плавными краями (табл. 6) и соответственно высокую износостойкость сопряжения.
Таблица 5
Параметры шероховатости образцов из стали 45Х с различными типами тонкопленочных износостойких покрытий
Материал для модифицирования стали Среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, мкм Средний шаг неровностей профиля Sm, мкм
Без покрытия (исходный) 0,045 / 0,067 0,265 / 0,346 2,5 / 3,9
Без покрытия (после триботехнических испытаний) 0,057 / 0,323 0,248 / 1,302 13,5 / 23,4
Композиция 10 % алюмосиликата + + 90 % серпентинита 0,167 / 0,394 0,781 / 1,820 1,2 / 12,4
Алюмосиликат + HCl 0,043 / 0,049 0,245 / 0,385 0,6 / 2,3
Алюмосиликат + HCl, модифицированный карбонатом магния 0,036 / 0,053 0,176 / 0,357 1,6 / 3,6
Алюмосиликат + HCl, модифицированный 9 % ПФС 0,025 / 0,044 0,129 / 0,358 1,30 / 1,57
П р и м е ч а н и е. В числителе приведено значение параметра по направлению вращения образца, в знаменателе — перпендикулярно к направлению вращения образца.
Рис. 3. Значения упругого восстановления поверхностного слоя стали 40Х в зависимости от вида обработки и материала модифицирования: □ — шлифование; □ — модифицирование; В — формирование покрытия; В — трибоиспытания; 1 — немодифицированная сталь; 2 — алюмосиликат + HCl; 3 — алюмосиликат + HCl + + полисахарид; 4 — алюмосиликат + HCl + ПФС; 5 — алюмосиликат + HCl + полисахарид
не приводит к заметному изменению значений упругого восстановления поверхностного слоя.
Анализ параметров шероховатости и топографии поверхностей трения стальных неу-прочненных образцов и после их модифицирования триботехническими составами позволил установить значительную анизотропию геометрических характеристик по направлениям (табл. 5 и 6). Причем для всех поверхностей трения минимальные микронеровности совпадают с направлением механической или упрочняющей обработок.
Профилограммы микронеровностей поверхностей стали 45 с различными типами покрытий
Таблица 6
По направлению вращения образца
Перпендикулярно к направлению вращения образца
Исходный
[Roughness A-B]
102 width 29,83 [um]
[um]
1,02
[Roughness C-D]
102_width 29,94 [um]
[um]
1,02
29,83 [um]
10 % алюмосиликата + 90 % серпентинита [Roughness A-B] [Roughness C-D]
140 width 29,24 [um] 140,_width 29,35 [um]
[um] [um]
29,94 [um]
-1,40-
[Roughness C-D] 0 57 width 29,77 [um]
[um]
1,40
-0,57
29,24 [um]
Алюмосиликат + HCl
[Roughness A-B]
0,57 [um]
29,35 [um]
width 29,41 [um]
-0,57.
А, лГЛ
1/ ~ - -V\y' С-—-ч.
29,77 [um]
.Алюмосиликат + HCl, модифицированный карбонатом магния [Roughness C-D] [Roughness A-B]
0 65, width 29,77 [um] 0 65 width 29,41 [um]
29,41 [um]
[um]
-0,65
[um]
-0,65
29,77 [um]
Алюмосиликат + HCl, модифицированный 9 % ПФС
[Roughness C-D] [Roughness A-B]
1,59 width 29,82 [um] 159_width 29,77 [um]
[um] [um]
29,41 [um]
1,59
29,82 [um]
1,59
29,77 [um
Таким образом, формирование износостойкого металлокерамического покрытия на поверхности трения при фрикционном методе обработки путем подачи смазочной композиции, содержащей минералы, органоминералы, полимеры или их композиции, происходит в результате протекания следующих процессов.
1. Во время первой технологической операции (нанесение модифицирующего материала на поверхность трения) преимущественно осуществляется очистка поверхности от загрязнений в результате абразивного изнашивания и на-гартовка частиц модифицирующего материала
во впадины микронеровностей (время операции 3-6 мин). Пятна покрытия появляются преимущественно только в местах выступов микронеровностей. Вследствие доминирующего процесса абразивного изнашивания на данной стадии наблюдается максимальная скорость потери массы образца (см. табл. 2); исключение составляет политетрафторэтилен (ПТФЭ) — износа нет.
2. В ходе второй технологической операции происходят абразивное изнашивание и формирование износостойкого покрытия (время, необходимое для образования покрытия, составляет 35-45 мин). Предыдущая операция обеспечила
150
№ 6(84)/2014
контакт частиц композиции с ювенильной поверхностью упрочняемого металла. Необходимая энергия для прохождения формирования металлокерамического слоя — это энергия трения. В результате диффузионных, ионозамеща-ющих, металлургических и ротационных процессов в углублениях и на выступах микрорельефа образуются кристаллы металлокерамики, которые и составляют износостойкий защитный слой, параметры шероховатости уменьшаются, т. е. происходит выравнивание микрогеометрии поверхности трения детали. При этом механические и триботехнические свойства металлокерамического слоя остаются стабильными в течение длительного срока эксплуатации не только упрочненной детали, но и трибоузла в целом.
Недостаток рассмотренной схемы в том, что она не дает информации о составе покрытия и о зависимости свойств покрытия от условий обработки.
Исследование выполнено при поддержке ДВФУ, проект № 14-08-03-8_и.
Литература
1. Зуев В. В. Использование минералов в качестве модификаторов трения // Обогащение руд. 1993. № 3. С. 33-37.
2. Погодаев Л. И., Кузьмин А. А. Структурно-энергетические модели надежности материалов и технических средств. СПб.: СПбГУВК, 2010. 123 с.
3. Кириллина Ю. В., Слепцова С. А. Свойства по-лимерсиликатных нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена и серпентинита // Высокие технологии, исследования, образование, экономика. Т. 1: сб. ст. 14-й Междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике». СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2012. С. 96-101.
4. Ponomarenko A. G., Burlov A. S. The research of mechanochemical reactions in lubricant composition based on polyorganosiloxanes containing azomethine metal complexes // IV International Conference „Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies. FBMT 2013". Novosibirsk, 2013. P. 187.
5. Металлосилоксан и композиты на основе металло-силоксана антифрикционного назначения / Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Г. Токликишвили, В. Н. Макаров // Современные материалы, техника и технология: материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф. (27 дек. 2013 г.): в 3-х т. Т. 2. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2013. С. 277-282.
6. Влияние параметров модифицирования стали 45 металлосилоксановым полимером на триботех-нические и механические свойства / Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Г. Токликишвили [и др.]// Вестн. Инженерной школы ДВФУ. 2014. № 1. С. 12-19. URL: http://vestnikis.dvfu.ru/vestnik/2014/1/2
7. Organomodified Aluminosilicates as Friction Geo-modifiers / L. B. Leontev, N. P. Shapkin, A. L. Leontev, [et al.] // Russian journ. of applied chemistry. 2012. Vol. 85, N. 10. P. 1509-1513.
AO «Издательство "Политехника"» предлагает:
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
под редакцией В. В. Кузнецова
ISBN 978-5-7325-1048-5 Объем 378 с. Цена 520 руб.
Монография посвящена проблемам анализа, синтеза и моделирования сложных систем различной природы. Содержание материала соответствует разделу паспорта научной специальности 05.13.01 «Системный анализ управления и обработка информации». Материалы монографии сгруппированы так, что они удовлетворяют требованиям ученых при выполнении фундаментальных и прикладных исследований.
Монография рассчитана для использования учеными, специалистами-практиками, аспирантами при выполнении исследований и анализе больших, территориально распределенных технических систем, а также сложных проектов.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru.
