Влияние тонкослойных нанопокрытий на фреттинг-коррозию высоконагруженных сопряжений крупногабаритных деталей машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.43-233:620.193

Влияние тонкослойных нанопокрытий на фреттинг-коррозию высоконагруженных сопряжений крупногабаритных деталей машин

Исследовались механизмы фреттинг-коррозии высоконагруженных сопряжений при использовании защитных нанопокрытий на основе полимерной фторуглеродной композиции и фрикционно-механического латунирования. Испытания образцов из стали 15 и чугуна СЧ25 с покрытиями проводили по стандартизованной методике; исследования поверхностей трения после испытаний изучали при помощи растрового электронного микроскопа. Исследования образцов с тонкослойными нанопокрытиями показали, что снижение фреттинг-износа связано с наличием в зоне контакта мелкодисперсных частиц, что позволяет осуществлять деформирование поверхностных слоев по механизму взаимного поворота и проскальзывания элементов структуры под действием сдвиговых напряжений без разрушения, приводящего к изнашиванию поверхности, подобному механизму «безызносности».

Ключевые слова: износостойкость, фреттинг-коррозия, нанопокрытия, фторуглеродная полимерная композиция, фрикционно-механическое латунирование, дисперсная структура, механизм «безызносности»

В. А. Красный, В. В. Максаров, Р. В. Вьюшин

Введение

Фреттинг-коррозия нередко является причиной выхода из строя ответственных узлов двигателей внутреннего сгорания, в частности большегрузных карьерных автосамосвалов, буровой техники, работающих в условиях вибраций и высоких контактных нагрузок. Фреттинг характерен для номинально неподвижных сочленений конструкций (например, в местах скрепления деталей) и возникает, как правило, при вибрациях, приводящих к различного рода колебательным относительным перемещениям и деформациям. Часто фрет-тинг сопровождается химическими процессами на поверхностях трения (фреттинг-корро-зия). Изнашивание при фреттинге проявляется в «выедании» материала в местах скрепления деталей конструкции. Характерной особенностью фреттинга, в отличие от других видов трения скольжения, является малая амплитуда относительных смещений контртел,

сопоставимая с расстоянием между вершинами микронеровностей на поверхности трения, что затрудняет удаление продуктов износа из зоны контакта. Продукты износа при этом начинают играть роль абразива, что приводит к дополнительному изнашиванию [1, 2].

Целью работы являлось исследование механизмов фреттинг-коррозии некоторых материалов и покрытий применительно к условиям работы высоконагруженных сопряжений.

При выборе материалов защитных покрытий деталей высоконагруженных сопряжений от фреттинг-коррозии следует обращать внимание не только на их износостойкость, но и на чувствительность к сдвигу, т. е. способность материала принимать на себя сдвиговую деформацию без инициирования процессов усталостного повреждения. Известно, что таким свойством обладают тонкие покрытия, удобные также и тем, что не нарушают ремонтопригодности узлов и позволяют сохранять в процессе эксплуатации натяги, предусмотренные при сборке [3, 4].

МЕШПООБМБОТК|»

Испытания на изнашивание в условиях фреттинга

В работе исследуется изнашивание в условиях фреттинга модельных образцов из стали 15 и серого чугуна СЧ25 с различными покрытиями, применение которых перспективно для крупногабаритных деталей сложной конфигурации, когда такие традиционно используемые методы защиты, как электролитическое нанесение или вакуумное напыление покрытий, а также лазерная обработка поверхности деталей, оказываются технологически неприемлемыми. Исследовались поверхности трения образцов после обработки полимерной фтор-углеродной композицией и фрикционно-меха-нического латунирования по сравнению с исходными образцами без покрытий и поверхностной обработки. Все виды покрытий использовались для поверхностей трения неподвижных деталей пар трения. Подвижные кольцевые контробразцы из стали 15 покрытий не имели.

Испытания на изнашивание в условиях фрет-тинга проводились на стандартных образцах

по методике [5] в двух режимах. Первая серия образцов и контробразцов из стали 15 испы-тывалась в условиях возвратно-вращательного скольжения с амплитудой 100 мкм при давлении 25 МПа и частоте 900 циклов/мин. Вторая серия испытаний проводилась на образцах из чугуна СЧ25 и контробразцах из стали 15 при амплитуде смещений 20 мкм, частоте 250 циклов/мин и давлении 85 МПа. Число циклов нагружения для каждой пары образцов было 5 X 105, для каждого варианта покрытий ис-пытывалось не менее 4 образцов. Износ после испытаний оценивали по изменению массы образцов с точностью до 0,1 мг, а линейный износ — по профилограмме дорожек трения.

Коэффициент трения определялся по тари-ровочным графикам согласно показаниям тен-зорезистора. Результаты испытаний описанных выше образцов приведены на рис. 1.

Как видно, для всех исследуемых вариантов покрытий в несколько раз снижается массовый Им и линейный Ил износ образцов в условиях фреттинга.

Как видно из рис. 1, полученные в испытаниях значения коэффициентов трения в условиях

а)

§

!40

" 30-1

>В 20л

и >н

н

.3 10-

20

§ й

8 „ И 2 1 к

¡8 15 ы то п я

13 10

О .1?

5

б)

20

й *15 И 2

п &

о а

о о и

и

К

10

4 5

4 5

в)

н я

н ■&

■е

т о К

0,8

0,6

0,4-

0,2-

Рис. 1. Результаты испытаний при фреттинге: а — износ образцов (контурная линия — массовый, штриховая — линейный); б — износ контробразцов; в — значения установившихся коэффициентов трения;

1—3 — стальные образцы: 1 — без покрытия; 2 — фрикционно-механическое латунирование, толщина 3—5 мкм; 3 — полимерная фторуглеродная композиция, толщина 5 мкм; 4—6 — чугунные образцы: 4 — без покрытия; 5 — фрикционно-меха-ническое латунирование; 6 — полимерная фторуглеродная композиция

5

1

2

3

6

1

2

3

6

1

2

3

4

5

6

ШШШМБОТКА

фреттинга не коррелируют с данными об износе образцов. В рассматриваемых случаях коэффициент трения даже выше, чем у исходного базового образца. Причинами этого могут быть как специфика работы узлов трения при высоких нормальных нагрузках в условиях фреттинга по сравнению с обычным трением скольжения, так и характер микроструктурных изменений в поверхностных слоях деталей сопряжений [6]. Кроме того, при модельных испытаниях относительно небольшая площадь контакта образцов (0,5 см2) при сохранении реальных нагрузок и амплитуд смещения, характерных для условий эксплуатации, приводит к более жестким условиям фреттинга, чем в реальных сопряжениях, что также может сказаться на увеличении коэффициента трения в несколько раз по сравнению с коэффициентом трения в условиях скольжения.

Металлографический анализ

поверхности износа

Для выявления механизмов, способствующих снижению фреттинг-износа при использовании успешно проявивших себя покрытий, проведено исследование поверхностей трения методом растровой электронной микроскопии.

На поверхностях трения базовых стальных образцов наблюдаются типичные для фрет-тинг-износа участки рельефа в виде каверн, заполненных окисленными частицами износа. Об окислении свидетельствует специфический эффект накопления заряда на плохо проводящей поверхности окисленных частиц, что ухудшает контрастность изображения и создает впечатление «свечения» под действием электронного пучка. Поскольку на остальной поверхности трения такого эффекта не наблюдается, можно думать, что окисление частиц износа происходит уже после их образования в результате взаимодействия кислорода с активированной в процессе трения поверхностью мелких частиц, т. е. к самому механизму фреттинг-износа коррозия, вероятно, не имеет прямого отношения, тем более что участки с окисленными частицами (рис. 2, а) занимают сравнительно небольшую площадь общей поверхности трения. Довольно часто встречаются

на дорожке фреттинг-износа стали 15 и участки, покрытые частицами размером несколько микрометров без следов окисления (рис. 2, б), на которых хорошо видны трещины хрупкого разрушения. По-видимому, эти частицы являются карбидными или другими характерными для сталей включениями, результатом разрушения в процессе трения перлитных прослоек и т. п.

Нанесение полимерной фторуглеродной композиции в виде раствора с последующей сушкой создает на поверхности тонкую полимерную пленку, которая защищает поверхности трения от окисления и образования каверн (рис. 3, а), а также несколько повышает дисперсность частиц, видимых на поверхности, и исключает механизм их хрупкого разрушения (рис. 3, а в сравнении с рис. 2, б). В нашем случае микрочастицы в полимерной пленке, образованной модификатором, могут, вероятно, играть роль дисперсного наполнителя в полимерной матрице, формируя пленку покрытия композитного типа. Полимерные композиционные материалы хорошо зарекомендовали себя в качестве противоизносных и антифрикционных покрытий. Наиболее эффективны в снижении износа как раз композитные покрытия с мягкой матрицей и более твердыми части-а) б)

Рис. 2. Поверхность износа при фреттинге стали: а — каверны с частицами износа (х160); б — частицы на поверхности трения (х2000)

а)

б)

Рис. 3. Поверхность износа при фреттинге стали с фторуглеродным покрытием: а — участок поверхности трения (х200); б — дисперсные частицы на поверхности трения (х2000)

цами наполнителя, что и реализуется в рассматриваемом нами случае. Несколько иначе выглядят поверхности трения фрикционно-ла-тунированных образцов.

Латунирование приводит к появлению на поверхности стального образца очень гладких латунных слоев, местами с плохой адгезионной связью с поверхностью, где наблюдается их отслаивание на дорожке трения при фреттинге (рис. 4, а), но чаще с такой хорошей адгезией, что даже формирование сетки трещин не приводит к отслаиванию и выкрашиванию латунного покрытия (рис. 4, б), с чем, по-видимому, и связана его эффективность. Поперечный излом образца при низкотемпературном ударном разрушении в жидком азоте позволяет выявить структуру материала в приповерхностных слоях у поверхности трения. Обычные методы изготовления шлифов за счет краевого эффекта и сильных механических воздействий в процессе пробоподготовки такие слои деформируют, в то время как хрупкая трещина при низкотемпературном ударном разрушении вскрывает структуру у поверхности трения, как правило, не искажая ее. На рис. 4, в в изломе видны зерна стальной основы, на которых лежит

а)

б)

Рис. 4. Поверхность износа при фреттинге стали с фрикционно-механическим латунированием: а — слой латунного покрытия на поверхности трения (х150); б — сетка трещин в латунном покрытии после фреттинга (х300); в — поперечный излом образца с покрытием в жидком азоте — рыхлое пористое латунное покрытие на крупнозернистой стальной основе (х400); г — фрагмент низкотемпературного излома латунного покрытия с мелкодисперсной структурой (х7000)

пластичный слой латуни толщиной несколько микрометров с высоким содержанием пор. При больших увеличениях видно, что структура такого слоя состоит из отдельных сферических частиц с размерами около 1 мкм и меньше (рис. 4, г). При этом мелкодисперсная структура слоя, сформированная в процессе фрикционного нанесения покрытия под действием высоких напряжений и скоростей скольжения, обеспечивает механизм деформирования под действием сдвиговых напряжений при фреттинге путем взаимного поворота и проскальзывания мелких элементов структуры. Это, вероятно, позволяет осуществлять интенсивное деформирование тонких приповерхностных слоев материала по бездислокационному механизму, не приводящему к разрушению и изнашиванию. Реализация такого механизма трения даже на отдельных участках поверхности контакта может уменьшить общий износ.

Наблюдаемые в латунном слое микротрещины (рис. 4, б), которые не приводят, как это видно, к разрушению путем отслаивания или выкрашивания покрытия, возможно, являются дополнительным каналом диссипации энергии трения в поверхностном слое не только в результате затраты энергии на образование свободной поверхности трещины, но и благодаря повышению подвижности поверхностных слоев. Образование таких трещин, вероятно, связано с «раскачиванием» при фреттинге приповерхностных зерен стальной основы. Размер областей, ограниченных трещинами на рис. 4, б, соизмерим с размером выявленных в изломе зерен стальной структуры на рис. 4, в и составляет десятки микрометров.

Мелкодисперсная структура фрикционных латунных слоев, видимая на рис. 4, г, может быть результатом структурной самоорганизации материала в процессе фрикционной обработки вследствие фрагментации, характерной для высоких степеней деформации материалов на основе меди. Наличие в контакте при трении сферических частиц с высокой дисперсностью в виде металлических порошков, геомодификаторов и т. п., как правило, снижает износ. Это, вероятно, связано с диссипацией энергии трения при взаимном перемещении частиц, что защищает от силовых воздействий нижележащие слои материала. На этом же

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ЕТАПЛООБРАБОТК]

принципе основано и положительное влияние на фрикционные свойства композитных покрытий с мягкой матрицей и более твердыми частицами наполнителя.

Выводы

1. Установлено, что во всех исследованных по защите высоконагруженных сопряжений деталей машин с использованием нанопокры-тий на основе полимерной фторуглеродной композиции и фрикционно-механического латунирования имеет место единый механизм повышения износостойкости при фреттинге в зоне контактного слоя мелкодисперсных частиц благодаря использованию тонкослойных покрытий. Их присутствие может быть обусловлено либо структурной самоорганизацией материала покрытия в процессе фрикционного латунирования либо формированием композиционной структуры полимерного покрытия с мелкими частицами износа при использовании полимерной композиции. При этом рассмотренные защитные нанопокрытия исключают коррозионный компонент механизма фреттинг-изнашивания.

2. Дисперсная структура поверхностных слоев мешает реализации обычного дислокационного механизма деформационного упрочнения поверхностных слоев материала с последующим разрушением, когда исчерпывается пластичность в результате передвижения дислокаций в плоскостях скольжения и под действием дислокационных скоплений начинается зарождение трещин, приводящих к износу. Размер дисперсных частиц (от долей микрометра до нескольких микрометров) соизмерим с длиной свободного пробега дислокаций, поэтому они, выходя на границы частиц, не могут образовывать скоплений.

3. Зарождение несплошностей между структурными элементами в этом случае приводит к повышению пористости материала, но компенсируется процессом структурной аккомодацей при перемещении мелких частиц, поэтому на таких порах нет повышенной концентрации напряжений и разрушения. При этом даже

сетка трещин на износостойких поверхностях не приводит к изнашиванию путем отслоения или выкрашивания поверхностного слоя и, возможно, вносит вклад в повышение дис-сипативных свойств поверхности. Не исключено, что и образование таких трещин может быть вызвано не только «раскачкой» элементов структуры исходного материала под покрытием, но в рамках синергетических представлений о самоорганизации структуры в процессе трения эти трещины можно рассматривать как границы ячеек диссипативной в синергетиче-ском смысле структуры.

4. Исследование поверхностей трения образцов с тонкослойными нанопокрытиями показало, что практически во всех случаях снижение износа в испытаниях в режиме фрет-тинга связано с наличием в зоне контакта мелкодисперсных частиц, что позволяет осуществлять деформирование поверхностных слоев по механизму взаимного поворота и проскальзывания элементов структуры под действием сдвиговых напряжений без разрушения, приводящего к изнашиванию поверхности. Представления возможности реализации такого «безызносного» механизма при трении позволяют более осознанно подходить к выбору оптимальных материалов для покрытий на поверхностях трущихся деталей и в случае фреттинга высоконагруженных сопряжений деталей машин.

Литература

1. Голего Н. Л., Алябьев А. Я., Шевеля В. В. Фрет-тинг-коррозия металлов. Киев: Техника, 1974. 272 с.

2. Уотерхауз Р. Б. Фреттинг-коррозия. Л.: Машиностроение, 1976. 272 с.

3. Гаркунов Д. Н., Мельников Э. Л., Гаврилюк В. С. Триботехника. М.: КНОРУС, 2013. 408 с.

4. Дроздов Ю. Н., Юдин Е. Г., Белов А. И. Прикладная трибология (трение, износ и смазка). М.: Эко-Пресс, 2010. 604 с.

5. ГОСТ 23.211—80. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии.

6. Исследование фреттинг-коррозии в условиях высоких контактных нагрузок/ В. П. Булатов, В. А. Красный, О. Ф. Киреенко, И. Н. Попов // Трение и износ. 1994. Т. 15, № 1. С. 101-108.