CC BY
45
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
уДк"181 Ю. К. МАШКОВ
3. Н. ОВЧАР В. Р. ЭДИГАРОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия ОАО «Сибнефтепровод» Омский танковый инженерный институт
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯ
ФРИКЦИОННОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
МОДИФИЦИРОВАНИЕМ
ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ
МОДИФИКАТОРАМИ _
Рассмотрены результаты исследования влияния поверхностного модифицирования стальных образцов дисперсными модификаторами в смеси с поверхностно-активным веществом (ПАВ), глицерином и режимов фрикционно-электрической обработки с использованием поверхностно-активных модификаторов (ФЭМ) на микротвердость поверхностного слоя и износостойкость трибосопряжения (типа сталь - бронза). Показана роль дисперсных поверхностно-активных модификаторов в механизме упрочнения поверхностного слоя.
Введение. Надежность и долговечность машин и износостойкостью и механическими свойствами технологического оборудования в значшельной мтнри&лиь, из которых они илгиговлекы. степени зависят от работоспособности и срока В настоящее время разработано большое коли-
службы узлов трения. Надежность узлов трения чество различных методов повышения изиосо-(трибосопряжений) определяется, главным образом, стойкости деталей узлов трения, в основе которых -
Рис. I. Схема установки для комбинированной фрикцион-но-электрической обработки с одновременным внедрением модификатора (ФЭМ). Токарно-винторезный станок 1, источника тока 2, инструмент 3, пружинящая державка 4, то-копроводящие щетки 5 с пружинами 6, изолирующие пластины 7, образец В, оправка 9 с гайкой 10 и шайбой 11, трехку-лачковый патрон 12, резцедержатель 13, текстолитовые пластины 14, устройства подачи модификатора 15
положения трибологии, рассматривающие механизмы трения и изнашивания как последовательные процессы: фрикционное взаимодействие, многократное упругопластическое деформирование микронеровностей и усталостное разрушение с отделением частиц износа.
Большинство методов являются, по сути, методами поверхностного упрочнения путем модифицирования структуры поверхностного слоя материала [1-4]. Некоторые методы повышения износостойкости предусматриваютнанесение различных износостойких материалов на сопрягаемые поверхности. Каждый из известных в настоящее время методов имеет свои достоинства и недостатки, ограничивающие область их применения. Поэтому разработка эффективного и экономичного метода повышения износостойкости остается актуальной научной и практической задачей.
Одним из перспективных методов повышения износостойкости узлов трения машин является предлагаемая комбинированная фрикционно-элект-рическая обработка с использованием поверхностно-активных модификаторов (ФЭМ), включающая высокоэнергетическое воздействие через промежуточную среду-модификатор, в смеси с ПАВ, на исходную структуру поверхностного слоя с целью сформировать заданные физико-механические свойства с высокими триботехническими характеристиками. Данный метод является развитием метода фрикционно-электрической обработки (ФЭО), включающего поверхностное пластическое деформирование образцов в условиях трения скольжения при одновременном пропускании постоянного электрического тока через зону контакта детали и инструмента [1-2].
Цель работы — разработка и исследование метода повышения износостойкости пар трения (три-босопряжений) на основе изучения закономерностей влияния комбинированной (ФЭМ) фрикционно-электрической обработки с использованием дисперсных модификаторов в смеси с поверхностно-активным веществом (ПАВ) на структуру и свойства поверхностного слоя.
Методика исследования. В качестве объекта исследования была выбрана легированная сталь 38ХС (ГОСТ 4543-71), обладающая высокой прочностью, умеренной вязкостью и предназначенная для изготовления деталей, которые должны обладать высокой прочностью, упругостью и износостойкостью. Её выбор в качестве объекта исследования объясняется ее широким использованием в машиностроении и в частности в узлах многоцелевых гусеничных машин, к которым предъявляются высокие требования по надежности, прочности и износостойкости.
Образцы изготавливались из стали 38ХС в нормализованном состоянии в виде плоских цилиндрических дисков диаметром 50мм. Цилиндрические поверхности после точения имели шероховатость Я = 20 мкм. Для обработки была создана специальная установка(рис. 1), состоящая из токарно-винто-реэного станка модели ИТ-1М, источника постоянного тока типа ВАКГ-12/6-630-4, твердосплавного инструмента с тороидальной рабочей поверхностью, токопроводящих щеток с прижимными пружинами и изолирующими пластинами. На установке обрабатывается наружная цилиндрическая поверхность образца, закрепленного на оправке, устанавливаемой в трехкулачковом патроне токарно-винторезного станка. Пружинная державка устанавливается в резцедержатель. Корпус пружинной державки изолируется от массы станка тремя текстолитовыми пластинами и закрепляется в резцедержателе винтами. На основании априорной информации [1,2,5] для проведения фрикционно-электрической обработки были приняты следующие режимы: сила тока I = 500А, скорость обработки V = 28 м/мин., деформирующая сила Р 600Н, число ходов инструмента N = 2. На поверхность образцов наносился модификатор — смесь порошков различных твердых смазок с глицерином. В качестве твердых смазок — модификаторов, использовались дисперсные порошки: скрытокристаллического графита (СКГ), дисульфида молибдена, меди, оловянисто-свинцовистой бронзы и их смеси. После проведения ФЭМ очистка стального образца от модификаторов и глицерина не производилась с целью сохранения ПАВ на поверхности трения.
На первом этапе исследования для оценки влияния различных модификаторов на скорость изнашивания пары трения проводили испытания образцов
I, г/ч
0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 -0,06 -0,04 0,02 0
50
100
150
200
Т, мин
Рис. 2. Результаты сравнительных испытаний на износ образцов, обработанных комбинированной ФЭМ с модифицированием поверхности различными модификаторами: 1 - моднфикатор-графит СКГ; 2 - модификатор - дисульфид молибдена; 3 - модификатор - медь; 4 - модификатор -бронза; 5 - образец обработанный по заводской технологии (закалка ТВЧ)
без смазки в паре с бронзовым контртелом (Бр. Аж9-4) по схеме трения вал — частичный вкладыш. Испытания проводили при контактном давлении 10 МПа и скорости скольжения 0,2 м/с в течение 6 часов. Износостойкость пары трения оценивали по массовой скорости изнашивания бронзового контртела. Взвешивание контробразцов выполняли на микроаналитических весах ВЛР-20Г с погрешностью измерения <±2- 10"4г. Такая методика оценки износостойкости принята по результатам отработки методики, когда производили взвешивание стального образца и бронзового контртела. При этом было установлено отсутствие уменьшения массы стального образца, а в некоторых опытах незначительное увеличение массы (А = 210"4г) за счет переноса меди с бронзового контртела.
На втором этапе с целью изучения влияния режимов комбинированной ФЭМ на её эффективность изменяли деформирующую силу давления на обрабатываемый инструмент в диапазоне от 400 до 800 Н, силу тока от 400 до 600 А, скорость обработки от 10 до 40 м/мин. На этом этапе эксперименты проводились только с двумя модификаторами, обеспечившими меньшую скорость изнашивания на предыдущем этапе исследования.
Влияние комбинированной ФЭМ на механические свойства образца оценивали по изменению микротвердости поверхности образца. Для получения данных о характере изменения микротвердости по глубине зондируемого слоя, делали срез поверхности образца и производили внедрение инден-тора прибора ПМТ-3 через равные расстояния. Анализ микроструктуры поверхностного слоя проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-ЗМ в медном фильтрованном излучении. Исследование тонкой структуры образцов выполняли путем анализа профилей дифракционных пиков.
Результаты эксперимента и их обсуждение. Полученные зависимости скорости изнашивания обработанных ФЭМ образцов от вида применяемых модификаторов имеют заметные отличия (Рис.2). На этапе приработки наблюдается скачкообразное увеличение скорости изнашивания у образцов, модифицированных дисульфидом молибдена и медью. Это может быть связано с повышенными адгезионными свойствами модифицированных стальных образцов во взаимодействии с бронзовым контртелом, которое нивелируется по мере формирования пленки ИП. Лучшие результаты получены с образцами, модифицированными ультрадисперсным скрытокристаллическим графитом (СКГ) и дисульфидом молибдена (кривые 1 и 2 соответственно). Скорость изнашивания контробразцов в этих случаях в 3-5 раз меньше скорости изнашивания контробразцов при трении в паре с образцами изготовленными по серийной технологии.
При использовании в качестве модификаторов дисульфида молибдена и СКГ на поверхности образцов образовывалась ярко выраженная медная пленка переноса и наблюдалось улучшение качества поверхности (уменьшение шероховатости) стального образца. В случае использования модификаторов — меди и оловянисто-свинцовистой бронзы и различных смесей на их основе, на поверхности образцов образуется неравномерная пленка переноса бронзы и наблюдается ухудшение качества поверхности, за счет местных вырывов и наволакивания металла.
В процессе трения стального образца, с нанесенным на поверхность модификатором дисуль-
фидом молибдена или СКГ, по бронзовому контртелу в присутствии глицерина, оставшегося после комбинированной ФЭМ, становится возможной реализация одного из видов избирательного переноса (ИП). Согласно механизму ИП, раскрытому в работах Д.Н.Гаркунова и его учеников, з начальный период в присутствии глицерина происходит избирательное растворение на поперхности трения бронзового контробразца, поскольку глицерин является поверхностно-активным веществом и действует как слабая кислота. Атомы легирующих элементов бронзы уносятся с псы рхности трения, результате чего поверхность бронзового контробразца обогащается атомами мо у; деформация поверхностного слоя при трении рыкивает диффузионный приток новых атомов легирующие элементов к поверхности, котопые также уходят в последующем с поверхности бронзы. Таким образом, поверхностный слой бронзового контробразца освобождается от легирующих элементов и обогащается медью. Медная пленка на бронзе очень активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью, так как имеет свободные связи. В этих условиях стальная поверхность покрывается тонким слоем меди, который способствует наступлению установившегося режима ИП и значительному снижению скорости изнашивания бронзового контртела.
Исследованием микротвердости поверхностей образцов установлено, что комбинированная ФЭО с одновременным модифицированием вызывает упрочнение поверхностного слоя на глубине до 200 мкм (Рис. 3). Наибольшее влияние на микротвердость поверхностного слоя оказывают силы тока и скорость обработки: максимальное упрочнение наблюдается у образцов обработанных при I = 600А, V = = 10м/с, Р = 600Н. На глубине 0,05мм микротвердость повышается в 3 раза, по мере удаления от поверхности микротвердость монотонно снижается до исходного уровня на глубине 200 мкм.
С целью выяснения физических причин полученных результатов (упрочиение поверхностного слоя и повышение износостойкости) проведен рентгрносгруктурный анализ модифицированных образцов перед испытанием на трение и износ и после него. Установлено, что упрочнение поверхностного слоя в процессе комбинированного ФЭМ связано с формированием дисперсных фаз карбида железа Fe.,C и измельчением кристаллитов а-железа.
После испытания на трение в поверхностных слоях образцов наблюдаются новые фазы: медь (Си), MoS.¿ и графит (С), количество которых увеличивается с ростом силы тока.
Полученные результаты позволяют предложить следующее объяснение механизма упрочнения и повышения износостойкости трибосопряжения. В условиях фрикционно-электрического воздействия на поверхность стального образца в присутствии ПАВ развиваются процессы деформационно-термического упрочнения, обусловленные структурно-фазовыми превращениями (выделение карбидов Fe.,С, рекристаллизация a-Fe с измельчением кристаллитов) и диффузией модификаторов MoS2h СКГ в поверхностный слой. Одновременно в присутствии ПАВ в зоне фрикционного взаимодействия стального образца с бронзовым контробразцом развиваются физико-химические процессы избирательного переноса с формированием тончайшей пленки меди на поверхности стального образца.
Совместный эффект рассмотренных процессов выражается в существенном повышении твердости
0.05 0.1 015 0.2
0.25 0.3 h, мкм
I, г/ч 0.01 -| 0.035 0.03 0 025 0.02 0.015 0.01 0.005 О
200
V=?IOM /
V=10m/
a)
N500A
0,05 0.1 0.15
6)
0.25 0,3 h. мкм
Рис. 3. Зависимость изменения твердости по глубине от технологических режимов комбинированной ФЭМ: от силы деформирования (а) при V, I = const; от силы тока (б) при Р, V= const
I, г/ч 0,045 0,04 0,035 0,03 0.025 0,02 0,013 0,01 0.005 О
200 300
Т, мин
Рис. 4. Зависимость скорости изнашивания бронзового контртела от технологических режимов комбинированной ФЭМ: от скорости обработки (а) при Р, I = const; от силы тока (б) при Р, V = const
поверхностного слоя, концентрацией в нем материалов, обладающих свойствами, твердых смазок (МоБ.,, графит), формирование пластичной пленки меди и как следствие — в снижении трения и износа трибосопряжения.
Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что режимы энергетического воздействия оказывают неодинаковое влияние на механические свойства поверхностного слоя модифицируемых образцов и триботехнические свойства пары трения. Поэтому с целью разработки обоснованных рекомендаций по выбору режимов комбинированной ФЭМ был разработан и реализован план факторного эксперимента типа п = 2 ' [9). В соответствии с названным планом на основании результатов предварительных исследований в качестве независимых факторов были приняты: сила тока I (X,); сила действующая на обрабатывающий инструмент Р (Х2); скорость обработки V (X.,). Для описания функции параметра оптимизации У(Л) — скорости изнашивания было выбрано линейное уравнение первой степени. По результатам расчета средних экспериментальных значений скорости изнашивания и коэффициентов регрессии и проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента при уровне значимости 0,05 получено следующее уравнение регрессии:
У= 22,15-2,89Х, 4- 0,7 IX, + 2.58Х, + 1,2Х,Х ,-0,8Х,Х,.
Как видно из полученного уравнения, при увеличении силы тока скорость изнашивания снижается, а при увеличении деформирующей силы и скорости обработки увеличивается. Наряду с линейными эффектами значимыми оказались также и эффекты взаимодействия, совместное действие технологических факторов носит сложный характер.
Полученное уравнение позволяет определить наиболее эффективные режимы обработки поверхности образца методом ФЭМ. По результатам фак-
торного эксперимента построены зависимости скорости изнашивания от двух из трех независимых параметров при постоянных значениях двух других (рис.4). Анализ полученных зависимостей и уравнения регрессии позволяет сделать следующие выводы о влиянии технологических режимов ФЭМ на скорость изнашивания бронзового контртела. С увеличением скорости обработки (рис.4а) скорость изнашивания возрастает, а с увеличением силы тока скорость изнашивания уменьшается (рис. 46), при этом влияние силы тока на скорость изнашивания максимально. Эти зависимости имеют общий характер, они показывают что этап приработки завершается в течение первых 150-180 минут, а скорость изнашивания снижается в 1,5-2,0 раза, Они также подтверждают что наибольшее влияние на скорость изнашивания оказывает сила тока и скорость обработки.
Выводы. 1.Общая закономерность влияния комбинированной (ФЭМ) фрикционно-электри-ческой обработки с использованием поверхностно-активных модификаторов на микротвердость стальных образцов заключается в изменении степени упрочнения по глубине зондируемого слоя с максимумом микротвердости у поверхности, зависящим, главным образом, от величины силы тока.
2. Наибольшая эффективность предлагаемого ФЭМ стальных поверхностей достигается при использовании в качестве модификатора ультрадисперсного скрытокристаллического графита и дисульфида молибдена в смеси с ПАВ глицерином. В случае их использования скорость изнашивания трибосопряжения минимальна в сравнении с применением других модификаторов и при обработке по традиционной технологии поверхностного упрочнения.
3. На поверхности модифицированного стального образца в процессе его трения о бронзовое контртело образуется пленка переноса меди, в следствие
проявления одного из видов избирательного переноса в присутствии ПАВ в составе модификаторов.
4. Результаты исследования позволяют предложить следующее описание механизма упрочнения и повышения износостойкости трибосистемы при ФЭМ. В условиях фрикционно-электрического воздействия на модифицируемую поверхность в присутствии ПАВ развиваются процессы диформационно-термического упрочнения, обусловленные структурно-фазовыми превращениями и диффузией модификаторов в поверхностный слой. Одновременно в зоне фрикционного взаимодействия стального образца с бронзовым контртелом в присутствии ПАВ развиваю тся физико химические процессы избирательного переноса с формированием тончайшей пленки меди на поверхности стального образца. Совокупность названных процессов обеспечивает существенное повышение прочности (твердости) стального образца и износостойкости трибосопряжения.
5. Полученное уравнение регрессии позволяет рассчитать прогнозируемые значения скорости изнашивания в исследованной области изменения переменных факторов и вблизи этой области, построить поверхность отклика и выбрать режимы ФЭМ, обеспечивающие максимальное повышение износостойкости материала пары трения в переделах исследованной области значений технологических факторов.
6. Разработанный метод повышения износостойкости трибосопряжений может быть использован в узлах трения гусеничных и колесных машин, в частности, узле балансире бронетанковой техники, подшипник которого выполнен из исследованных в данной работе материалов: стЗВХ -- Бр.Аж9-4; На основании результатов исследования можно прогнозировать повышение износостойкости и ресурса этого подшипника в 3-5 раз.
Библиографический список
1. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой / Б. М. Аскинази. -М.: Машиностроение, 1989.
2 Байбарацкая М.Ю. Упрочняющая, фрикционно-электри-ческая обработка стальных поверхностей трения /М.Ю Байбарацкая., А.А. Пальянов, Ю.К. Машков // Трение и износ. -2004(4). - №25. - С.434-439.
3. Машков Ю.К. Применение ионно-лучевых технологий в триботехнике /Ю.К. Машков, А.И. Блесман, А А Гладенко, З.Н. Овчар// Машиностроение и техносфера на рубеже XXI в.: Междунар. сб. науч. тр. — Вып.(i. - Т. 1. - Донецк, 1998. -С.83-85.
4. Машков Ю.К. Повышение ресурса торцовых уплотнений нефтеперекачивающих насосов / Ю.К. Машков. З.Н. Овчар // Динамика систем, мехочиямов и машин: Со. матер. 111 Междунар. науч. техн к-.'нф. — Омск: ОмГТУ, 1999. - Кн.2. -С. 17-18.
5. Машков Ю.К.. ' ¡миология конструкционных материалов/Ю.К Машков. -- Ом<_к: OvfH, 1996.
6. Pao-, унос Д.Н. Триботехника / Д.И. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1Э8Л.
7. Машков Ю.К. Избирательный перенос в несмаэывае-мых м^таллснолимерных узлах трения / Ю,К. Машков // Надежность и контроль качества. - 1988. — №4. — С.39-44.
й.Поляков С А. Обоснование метода подбора сочетаний трибоюхнических материалов при использовании избм-pivreAbHjro переноса / С.А. Поляков, А.А. Поляков // Трение и износ. - 1982. - Т4. — №1. - С.867-872.
9. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа / Ю.А. Евдокимов, В.И. Колесников, А.И. Тетерин. -М.: Наука, 1980.
МАШКОВ Юрий Константинович, д.т.н,, профессор, зав. кафедрой физики.
ОВЧАР Зиновий Николаевич, к.т.н., ген. директор ОАО «Сибнефтепровод».
ЭДИГАРОВ Вячеслав Робертович, преподаватель Омского танкового инженерного института.
Дата поступления статьи в редакцию: 27.02.06 г. © Маигков Ю.К., Овчар З.Н. Эдигаров В.Р.
Информация
ДЕМИДОВСКИЕ ЧТЕНИЯ
2-6 марта в Екатеринбурге прошли Демидовские чтения — уральская часть общероссийского научного форума, начавшегося в московском ФИАНе и продолженного в Томске, поскольку с этими тремя городами связана творческая биография вице-президента РАН академика Г. А. Месяца, к 70-летию которого приурочено мероприятие. В честь промышленников и меценатов Демидовых екатеринбургский этап назван не случайно. Напомним, что именно в столице Среднего Урала и именно по инициативе Месяца, возглавлявшего и строившего Уральское отделение РАН, в 1992 году возрождена одна из самых престижных отечественных наград — научная Демидовская премия, по почти доказанной версии ставшая в XIX веке прообразом Нобелевской. И недаром самая «фундаментальная» часть чтений состояла из живых лекций демидовских лауреатов недавних лет по наиболее актуальным направлениям своих наук.
К этому событию в издательстве Уральского госуниверситета выпущен первый сборник лауреатских лекций, прозвучавших с 1993 по 2004 гг., куда вошли уникальные тексты C.B. Вонсовского, Б.В. Раушенбаха, В.Е. Соколова и многих других. Однако не только заслуженные мэтры «прозвучали» на чтениях. В фойе актового залаУрГУ, где они проходили, были выставлены стендовые доклады нового поколения — лауреатов премии для молодых ученых Губернатора Свердловской области, Почётные дипломы которым вручили ректор университета член-корреспондент В.Е. Третьяков и председатель УрО академик В.А. Черешнев. Несколько молодых лауреатов получили право выступить в одном ряду с корифеями.
http://www.uran.ru/gazetanu/2006/03/nu06_07/wvmnu
