CC BY
20
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.7.09
Л.Б. Леонтьев, Н.П. Шапкин, А.Г. Токликишвили, Н.А. Рассказова
ЛЕОНТЬЕВ ЛЕВ БОРИСОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected] ШАПКИН НИКОЛАЙ ПАВЛОВИЧ - доктор химических наук, профессор кафедры общей, неорганической и элементоорганической химии Школы естественных наук (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]
ТОКЛИКИШВИЛИ АНТОНИНА ГРИГОРЬЕВНА - ассистент кафедры защиты окружающей среды (Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток). E-mail: [email protected]
РАССКАЗОВА НАДЕЖДА АНАТОЛЬЕВНА - кандидат технических наук, заведующая кафедрой компьютерных технологий и общетехнических дисциплин (Новосибирская архитектурно-художественная академия, Новосибирск). E-mail: [email protected]
Влияние состава модификаторов трения
на топографию поверхности стали 45 и химический состав
композиционного металлокерамического покрытия
Рассмотрено влияние модифицирования стали 45 минеральными, органоминеральными и металлополимерными материалами на топографию поверхности стали 45 и химический состав композиционного металлокерамического покрытия. Определены параметры шероховатости и топография различных покрытий. Установлено, что наименьшие параметры шероховатости образуются в результате модифицирования стали композицией 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата.
В условиях трения при граничной смазке вследствие высоких температур на пятнах контакта происходит процесс разложения и карбонизации смазки, в результате образуется нагар толщиной 1-3 нм. Высокое содержание углерода, кремния, алюминия и кислорода в композиционном покрытии свидетельствует об образовании износостойкого металлокерамического слоя.
Ключевые слова: модификатор трения, топография, покрытие, металлокерамика, химический состав.
Введение и постановка проблемы
Поверхностный слой деталей оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства сопряжения. Модифицирование поверхности стали минеральными,
© Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Токликишвили А.Г., Рассказова Н.А., 2014 [26] vestnikis.dvfu.ru
органоминеральными и металлополимерными материалами позволяет получать тонкопленочные покрытия и управлять их эксплуатационными свойствами: механическими (статическая и циклическая прочности, микро- и нанотвердость (статическая и динамическая)), износостойкостью, сопротивлением коррозии, эрозии и кавитации [5]. Механические свойства, топография поверхности, структура и химический состав определяют износостойкость и долговечность трибоузла [6]. Знание закономерностей комплексного и раздельного влияния параметров поверхностного слоя детали на их эксплуатационные свойства позволяет оптимизировать технологический процесс упрочнения поверхностей трения деталей.
Известно, что величина износа пропорциональна объему взаимного внедрения шероховатостей и обратно пропорциональна фактической площади контакта [2]. Формирование металлокерамических покрытий на поверхностях трения позволяет получить топографию поверхности, близкую к идеальной, которая обеспечивает высокую фактическую площадь контакта и минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля, при хорошей маслоудерживающей способности, благодаря большому количеству микровпадин с плавными краями, и, соответственно, высокую износостойкость сопряжения [3]. Для определения влияния состава модификаторов трения на топографию покрытий, по нашему мнению, целесообразно исследовать различные группы материалов: наиболее часто применяемых минералов, а также перспективных материалов - органоминерала, металлополимера и их композиции.
Цель работы - исследование влияния состава модификаторов трения на топографию поверхности стали 45 и химический состав композиционного металлокерамического покрытия для разработки оптимальной технологии модифицирования поверхностей трения шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей для повышения их износостойкости.
Материалы и методика испытаний
Для проведения исследований были выбраны материалы различных групп модификаторов трения: минералы (серпентинит и алюмосиликат), органоминерал (алюмосиликат, модифицированный полисахаридом природного происхождения и карбонатом магния), металлополимер (металлосилоксан) и композиция 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата.
Модифицирование поверхностей трения для формирования металлокерамических покрытий мы осуществляли фрикционно-механическим способом на оптимальных параметрах [4]. Для определения влияния типа покрытия на топографию поверхностей и параметры их шероховатости, а также выявления взаимосвязи топографии поверхностей и параметров их шероховатости с износостойкостью различных покрытий были проведены исследования на атомно-силовом микроскопе (АСМ) SPM-9600 фирмы Shimadzu (Япония) с высоким пространственным разрешением.
Определение химического состава покрытия проводили методом рентгено-электронной спектроскопии (РЭС) на сверхвысоком вакуумном фотоэлектронном спектрометре фирмы "Omicron" (Германия) с полусферическим электростатическим анализатором (радиус кривизны 125 мм). В качестве источника - рентгеновская пушка с магниевым анодом (линия MgKa 1253.6 эв).
Перед исследованием с помощью АСМ и РЭС поверхность образца очищали от органической пленки травлением аргоном трижды непосредственно в камере
у
фотоэлектронного спектрометра при вакууме 10- torr и напряжении 1000 В в точке.
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2014. № 2 (19) Результаты исследований и их обсуждение
Анализ параметров шероховатости и топографии поверхностей трения стальных неупрочненных образцов после их модифицирования различными материалами позволил установить значительную анизотропию геометрических характеристик по направлениям (табл. 1, рис. 1 и 2). Причем для всех поверхностей трения минимальные величины микронеровностей совпадают с направлением механической или упрочняющей обработок.
Таблица 1
Профилограммы микронеровностей поверхностей стали 45 с различными типами покрытий
По направлению вращения образца
Перпендикулярно направлению _вращения образца_
Исходный
Металлосилоксан
Серпентинит
Параметры шероховатости поверхностей трения стальных неупрочненных образцов в процессе триботехнических испытаний в условиях трения при граничной смазке существенно изменяются, а именно: происходит увеличение параметров шероховатости только в направлении, перпендикулярном направлению вращения образца вследствие образования царапин и рисок на поверхности (рис. 1) из-за наличия механических примесей в работающем циркуляционном масле судовых среднеоборотных дизелей (СОД), средний шаг неровностей профиля возрастает в обоих направлениях более чем в 5 раз.
Максимальные величины параметров шероховатости образуются при модифицировании стали серпентинитом (Яа и Яг), которые превышают даже параметры неупрочненной стали. Минимальные параметры шероховатости получаются после модифицирования стали композицией 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата или алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния (табл. 2). Следует отметить, что по направлению обработки поверхности минеральными и органоминеральными материалами параметры шероховатости намного меньше. Модифицирование стали алюмосиликатом, модифицированым металлосилоксаном или алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния, позволяет получить оптимальную топографию поверхности.
Таблица 2
Параметры шероховатости образцов из стали 45 (твердость 212 НВ) с различными типами тонкопленочных износостойких покрытий
Параметры шероховатости
Материал для модифицирования стали Среднее арифметическое отклонение профиля Яа, мкм Высота неровностей профиля по десяти точкам Л2, мкм Средний шаг неровностей профиля мкм
Без покрытия (исходный) 0,050 / 0,063 0,290 / 0,364 2,47 / 3,96
Без покрытия (после триботехнических испытаний) 0,055 / 0,340 0,248 / 1,420 13,50 / 23,39
Серпентинит 0,179 / 0,419 0,811 / 1,980 1,07 / 12,42
Алюмосиликат 0,048 / 0,045 0,254 / 0,370 0,64 / 2,08
Алюмосиликат,
модифицированный полисахаридом и карбонатом 0,039 / 0,058 0,180 / 0,372 1,63 / 3,65
магния
Металлосилоксан 0,050 / 0,102 0,490 / 0,705 2,19 / 3,35
Композиция
50% металлосилоксана + 0,016 / 0,041 0,122 / 0,385 1,30 / 1,57
50% алюмосиликата
Примечание. В числителе приведено значение параметра по направлению вращения образца, в знаменателе — перпендикулярно направлению вращения образца.
0.00
Рис. 1. Топография поверхности стали без покрытия после триботехнических испытаний
д
Рис. 2. Топография поверхностей образцов из стали 45 (твердость 223 НВ) после упрочнения: а - серпентинитом; б - вермикулитом; в - алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния; г - металлосилоксаном; д - композицией 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата
Следует отметить, что параметры шероховатости на всех исследуемых образцах до и после триботехнических испытаний существенно меньше установленных техническими требованиями для шеек коленчатых валов СОД (Яа ^ 0,32 мкм), особенно после их модифицирования оптимальными составами.
Покрытия, образованные при модифицировании стали металлосилоксаном (рис. 2, г) и композицией 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата (рис. 2, д), образуют на поверхности пирамидальные выступы высотой до 1,5 нм) (рис. 3). При трении в условиях
граничной смазки выступы могут вызывать повышенный износ сопряженной поверхности. При этом изнашивание металлокерамического покрытия практически не происходит.
Рис. 3. Профилограмма выступа, образованного силикатом, при модификации стали композицией 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата
Большое влияние на износостойкость материалов оказывают структура и химический состав тонкопленочного покрытия. Известно, что минералы (серпентинит, алюмосиликат и т.д.) в исходном состоянии имеют кристаллическую структуру [1], однако полиморфные структуры обладают большей износостойкостью. Для полиморфитизации алюмосиликата его подвергли кислотному гидролизу и последующему модифицированию. После кислотного гидролиза дифрактограмма алюмосиликата (рис. 4) отвечает типичному силоксановому полимеру [7]. Кристаллическая структура алюмосиликата разрушается и становится аморфной. На дифрактограмме имеются отражения в области 2° и 22°, т.е. полученная структура очень похожа на структуру перлита, характерную для вермикулита. Такая картина наблюдается и для остальных модифицированных продуктов с небольшим отличием. Первое отражение, отвечающее межплоскостному расстоянию, несколько сдвигается в область малых углов, т.е. больших расстояний (22 А). При этом второе отражение, отвечающее расстоянию, внутри силоксановой цепи не изменяется. Изменение для d1 составляет примерно 10,5 А. Введение ионов магния увеличивает расстояние между слоями. Причем, в случае вермикулита, модифицированного природным полисахаридом, введение ионов магния еще больше увеличивает расстояние между слоями.
Рис. 4. Дифрактограмма алюмосиликата: а - исходного; б - после гидролиза и модифицирования полисахаридом и карбонатом магния
Металлосилоксан, применяемый для исследований, также имеет полиморфную структуру [7]. Этим можно объяснить более высокую износостойкость металлосиликата, а
также алюмосиликата, модифицированного полисахаридом и карбонатом магния, и композиции 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата.
Исследование композиционных покрытий с помощью рентгено-электронной спектроскопии позволило установить состав тонкопленочного покрытия на поверхности и на глубине до 100 нм. В зависимости от применяемого материала для модифицирования стали поверхностный слой имеет следующий состав (в атомных процентах):
1) при упрочнении серпентинитом после трибоиспытаний: O = 42.4, C = 40.3, Fe = 9.4, Al = 2.4, Si = 2.2, N = 1.6, Ca = 1.1, Sn = 0.4, Pb = 0.3; после травления поверхности аргоном при напряжении 1000 В/см на глубине 100 нм: Fe = 80.8, O = 12.1, C = 3.8, Al = 1.5, Si = 0.7, Ca = 0.6, Sn = 0.1, N = 0.1, Pb = 0.2;
2) при упрочнении металлосилоксановым полимером после трибоиспытаний: O = 46.6, C = 40.6, Fe = 9.3, Si = 2.0, N = 1.2, Ca = 0.4; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: Fe = 34.2, O = 49.9, C = 14.6, N = 0.6, Ca = 0.7;
3) при упрочнении композицией 50% металлосилоксанового полимера + 50% алюмосиликата после трибоиспытаний: O = 43.2, C = 39.8, Al = 7.2, Fe = 4.5, Si = 2.4, N = 1.6, Ca = 1.0, Sn = 0.3, Pb = 0.1; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: O = 45.5, Fe = 21.1, Al = 18.6, C = 10.6, Si = 2.9, Ca = 1.1, N = 0.5, Sn = 0.3, Pb = 0.1.
Повышенное содержание углерода на поверхности покрытий является следствием того, что на пятнах контакта в условиях трения при граничной смазке возникают высокие температуры (800-1200 °С [6]) и происходит процесс разложения и карбонизации смазки, при котором легкие составные части испаряются, а остаток под действием кислорода воздуха окисляется и образуется нагар толщиной 1-3 нм, который может быть удален только в результате плазменной обработки поверхности.
Следует также отметить, что композиционные металлокерамические покрытия абсорбируют продукты изнашивания вкладыша, вследствие этого в них обнаружены такие элементы, как олово и свинец, которые являются основными компонентами антифрикционного слоя вкладышей.
Заключение
Итак, наиболее низкие параметры шероховатости образуются при модифицировании поверхности трения композицией 50% металлосилоксана + 50% алюмосиликата и алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния, которые намного меньше, чем у исходного образца из стали после триботехнических испытаний.
Высокое содержание железа, углерода, кремния, алюминия и кислорода в покрытии, сформированном в результате модифицирования поверхности минералами, органоминералами, металлосилоксаном и композициями материалов, свидетельствует об образовании металлокерамического слоя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зуев В.В. Использование минералов в качестве модификаторов трения // Обогащение руд. 1993. № 3. С. 33-37.
2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
3. Леонтьев Л.Б., Леонтьев А.Л., Погодаев А.В. Влияние состава композиционного покрытия на топографию поверхности трения // Materialy VIII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Dynamika naukowych badan-2012». Vol. 24. Techniczne nauki. Przemysl: Nauka i studia, 2012. S. 47-51.
4. Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Токликишвили А.Г., Патенкова Е.П. Влияние параметров модифицирования стали 45 металлосилоксановым полимером на триботехнические и механические свойства // Вестн. Инженерной школы ДВФУ. 2014. № 1. С. 12-19. URL: http://vestnikis.dvfu.ru/vestnik/2014/1/2 (дата обращения: 02.04.2014).
5. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
6. Тушинский Л.И., Потеряев Ю.П. Проблемы материаловедения в трибологии. Новосибирск: НЭТИ, 1991. 64 с.
7. Шапкин Н.П., Гардионов С.В., Акимова Т.И., Свистунова И.В. Синтез и исследование полигетероорганилсилоксанов, содержащих молибден в высоких степенях окисления // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 31, № 9. С. 72-75.
MATERIALS SCIENCE AND MATERIALS TECHNOLOGY
Leontev L.B., Shapkin N.P., Toklikishvili A.G., Rasskazova N.A.
LEV B. LEONTEV, Professor, Doctor of Engineering Sciences, e-mail: [email protected]; NICHOLAS P. SHAPKIN, Professor, Doctor of Chemical Sciences, Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia, e-mail: [email protected]; ANTONINA G. TOKLIKISHVILI, Teaching Assistant, Maritime State University named after Admiral G.I. Nevelskoy, Vladivostok, Russia, e-mail: [email protected] NADEZHDA A. RASSKAZOVA, Candidate of Engineering Sciences, Head, Department of Computer Technology and Technical Disciplines, Novosibirsk Academy of Architecture and Art, Novosibirsk, Russia, e-mail: [email protected]
The effect of friction modifiers on the topography of the surface of the steel 45 and the chemical composition of composite cermet coating
The paper is concerned with the effect, which the modifying of steel by 45 mineral, organomineral, and metallopolymeric materials has on the topography of the surface of the steel and the chemical composition of composite cermet coating. The parametres of roughness and topography of various coatings have been determined. It was established that the lowest roughness can be achieved when modifying the composition with 50 % metallosiloksana + 50 % aluminosilicate. High content of carbon, silicon, aluminum and oxygen in the composite coat is indicative of the formation of a layer of wear-resistant cermet.
Key words: friction modifier, topography, cover, cermet, chemical composition.
REFERENCES
1. Zuev V.V., The use of minerals as friction modifiers, Ore. 1993(3):33-37. (in Russ). [Zuev V.V. Ispol'zovanie mineralov v kachestve modifikatorov trenija // Obogashhenie rud. 1993. № 3. S. 33-37].
2. Kragelsky I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S., Basics calculations on friction and wear. M., Engineering, 1977, 526 p. (in Russ). [Kragel'skij I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetov na trenie i iznos. M.: Mashinostroenie, 1977. 526 s.].
3. Leontiev L.B., Leontiev A.L., Pogodaev A.V., Influence of the composition of the composite coating on the surface topography of the friction, Materialy VIII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji "Dynamika naukowych badan- 2012". Vol. 24. Techniczne nauki. Przemysl: Nauka i studia, 2012, S. 47-51. (in Russ.). [Leont'ev L.B., Leont'ev A.L., Pogodaev A.V. Vlijanie sostava kompozicionnogo pokrytija na topografiju poverhnosti trenija // Materialy VIII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Dynamika naukowych badan-2012». Vol. 24. Techniczne nauki. Przemysl: Nauka i studia, 2012. S. 47-51].
4. Leontiev L.B., Shapkin N.P. Toklikishvili A.G., Patenkova E.P. The effect of the parametres of the modifying steel 45 by the metallasiloxane polymer on the tribological and mechanical properties, FEFU: School of Engineering Bulletin. 2014;1:12-19. URL: http://vestnikis.dvfu.ru/vestnik/2014/1/2. (in Russ). [Leont'ev L.B., Shapkin N.P., Toklikishvili A.G., Patenkova E.P. Vlijanie parametrov modificirovanija stali 45 metallosiloksanovym polimerom na tribotehnicheskie i mehanicheskie svojstva // Vestn. Inzhenernoj shkoly DVFU. 2014. № 1. S. 12-19. URL: http://vestnikis.dvfu.ru/vestnik/2014/1/2].
5. Sulima A.M., Shulov V.A., Yagodkin Y.D., The surface layer and the performance of the machine parts. M., Engineering, 1988, 240 p. (in Russ). [Sulima A.M., Shulov V.A., Jagodkin Ju.D. Poverhnostnyj sloj i jekspluatacionnye svojstva detalej mashin. M.: Mashinostroenie, 1988. 240 s.].
6. Tushinskij L.I., Poteryaev Y.P., Materials problems in tribology. Novosibirsk, NETI, 1991, 64 p. (in Russ). [Tushinskij L.I., Poterjaev Ju.P. Problemy materialovedenija v tribologii. Novosibirsk: NJeTI, 1991. 64 s.].
7. Shapkin N.P., Gardionov S.V., Akimov T.I., Svistunova I.V., Synthesis and study poligeteroorganilsiloksanes containing molybdenum in high oxidation, Butlerov Communications. 2012;(31)9:72-75. (in Russ). [Shapkin N.P., Gardionov S.V., Akimova T.I., Svistunova I.V. Sintez i issledovanie poligeteroorganilsiloksanov, soderzhashhih molibden v vysokih stepenjah okislenija // Butlerovskie soobshhenija. 2012. T. 31, № 9. S. 72-75].
