Триботехнічні властивості: зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів

Це процес насичення воднем під поверхневого шару металу при терті, що супроводжується утвором численних мікротріщин і диспергуванням металу в інтенсивно деформуючій зоні. При перенасиченні металу воднем можливо його зношування внаслідок грузлого плину поверхневого шару. Цьому виду зношування зазнають сталеві й чавунні деталі при терті про воднемісткий матеріал або у воднемісткому середовищі. В якості такого матеріалу можуть служити композитні матеріали на основі полімерів, а в якості середовища - мастильні матеріали, розкладання яких супроводжується виділенням водню. Слід відрізняти водневе зношування диспергуванням при терті від водневого окрихчення металу при об'ємному навантаженні. В останньому випадку об'ємне руйнування зразка відбувається й результаті росту магістральної тріщини. Водневе окрихчення характеризується також більш низкою. чим при водневому зношуванні, концентрацією водню й більш рівномірним його розподілом за обсягом зразка. Другий механізм руйнування сполучений з переходом поверхневого шару сталі у в'язкотекучіший стан при температурах (порядку 800 *З). значно менших температури плавлення й близьких до температури фазового перетворення. Уважається, що при перенасиченні воднем зникаючої -фази послабляються міжатомні зв'язки виникає грузлий плин металу. При цьому відбувається "намазування" металу на поверхню контр тіла. Зменшення інтенсивності водневого зношування можливо шляхом легування стали ванадієм, хромом і піаном, застосуванням мастильних матеріалів, мало підданих гідрогенізації, наповненням кому нош юний металами. Структурно-фазовий склад обумовлює розвиток контактному пружно - пластичної деформації і яка відіграє визначальну роль у протіканні процесів адсорбції, дифузії й топохімічих реакцій у матеріалі при терті.

Процеси структурної активації при цьому визначаються кінетикою зародження й руху не доскональному кристалічної будові контактній зоні деформації [14]. Для зменшення кількісного рівня структурно - термічної активації при терті діючим є застосування методів зміцнення [19]. Відомі численні спроби зв'язати результати зносу з вихідними характеристиками фізико-механічних властивостей, хімічного складу й структури матеріалів пари тертя [15-18]. В окремих випадках шляхом спеціального моделювання умов такий зв'язок вдавалося встановити, але спроби поширити отримані закономірності на більш широкий діапазон умов зношування не мали успіху [15,17]. Вплив легування на фазовий склад, як поверхневих шарів покрити , так і на утвір вторинних структур вивчене не досить. Вирахуванні опосередковані дані й, у першу чергу, результати випробувань на знос, свідчать про те, що зі зміною фазового складу покриттів, змінюється й хімічний склад вторинних структур. Оскільки інтенсивність зношування є, як відомо, структурно почуттєвою характеристикою, можна зробити висновок, що це обумовлене в першу чергу зміною хімічного складу вторинних структур [22]. Однак прямих досліджень по цім питанню виконане мало. У роботах [14,19] з позицій системного підходу запропонована теоретична модель підвищення зносостійкості на основі інтеграції сучасних досягнень матеріалознавства, трибології, технологічних і конструкційних положень структуроутворення, яке відповідає умовам стійкого прояву режиму структурної пристосованості. При цьому показане, що принциповим напрямком проблеми підвищення зносостійкості є усунення, що ушкоджується, яка реалізується на базі трибологічного забезпечення оптимальної сумісності матеріалів і створення структурних умов антифрикційності . Крім того, другим напрямком підвищення опору зносу є зниження інтенсивності зношування за рахунок створення вторинних структур із заданими властивостями. Загальної для них буде поверхнева локалізація ультрадисперсної будови, здатність мінімізувати руйнування поверхневого шару й екранувати не припустимі процеси скрипіння.

Одержання на контактних поверхнях вторинних структур із заданими властивостями суттєво залежить від хімічного складу застосовуваних компонентів, що, як показано, вибираються на базі основних положень триботехнічного матеріалознавства й теорії легування [20]. Підвищення зносостійкості поверхневих шарів і розширення діапазону структурної пристосованості при терті може бути обумовлене так само впливом певних конструкторських і технологічних засобів, які визначають склад і будова покрити й виявляють собою, з одного боку, керування навколишнім середовищем за рахунок використання масел (олив), які містять хімічні й поверхнево-активні домішки, створення позитивного градієнта механічних властивостей; додавання хімічно активних високотемпературних модифікаторів; застосування твердо- мастильних матеріалів; утвір на робочих поверхнях фаз і з'єднань, які легко плавляться; з іншого боку - за рахунок внутрішньої перебудови структурно-фазового складу поверхневих шарів і цілеспрямованого додавання легантив; сумісності матеріалів; застосування спеціальних методів термічної обробки й створення аморфно-кристалічних структур [7]. Таким чином, стабілізація фазового складу й внутрішньозернової структури покрити може здійснюватися шляхом раціонального з'єднання конструкторських і технологічних засобів з обліком трибологічних і матеріалознавських положень, які дозволяють керувати будовою й властивостями матеріалів пари тертя в потрібному напрямку й регулювати температуру зони тертя, забезпечуючи в процесі експлуатації умови перехід до режиму структурно-енергетичної пристосованості.

1.1.2 Вплив структури поверхневих шарів на їхню зносостійкість у процес ренію вузлів АНТ

Технологічні методи зниження інтенсивності зношування спрямовані на досягнення оптимальної топографії поверхні тертя, забезпечення низького опору зрушенню на границі роздягнула тертьових тіл і поліпшення структури поверхневого шару тіла, що зношується, формування оптимальної топографії. Для кожного вузла тертя й Певних режимів його про експлуатацію характерна своя оптимальна топографія поверхонь, що сполучаються, при якій спостерігається мінімальна інтенсивність зношування. Вона встановлюється в процесі приробляння незалежно від того, яка вихідна мікро геометрія була отримана технологічним шляхом. Чим ближче вихідна мікро геометрія до рівноважної, тем менше період приробітки. Оскільки під час приробляння спостерігається максимальне зношування, необхідно фінішну обробку деталей проводити так щоб вихідна шорсткість поверхні була можливо близької до рівноважної. Опромінення потоками енергії високої щільності. Для підвищення зносостійкості деталей використовують лазерне легування тонких поверхневих шарів металів і сплавів, локальне поверхневе загартування сталей, лазерне зміцнення титанових сплавів шляхом оксидування поверхневого зламування й зниження їх на водорожування в процесі тертя. До цієї групи можна віднести іонне бомбардування, обробку електронним променем, радіаційне опромінення (застосовується для деталей з поліетилена) іонну імплантацію, іонно-променеве перемішування. Хіміко-термічна обробка поверхонь. Цей метод дозволяє змінювати структуру й властивості поверхневого шару металів шляхом насичення його атомами легуючих елементів у процесі теплової обробки в хімічно активному середовищі. Залежно від виду легуючого елемента розрізняють цементацію, азотування, сульфоціанування силіціювання, оксидування, фосфатування, сульфидирование, хромування й інші приймання підвищення зносостійкості металів.

Матеріалознавські методи

Ці методи спрямовані на створення нових зносостійких матеріалів, оптимальна комбінація механічних, хімічних і теплофізичних властивостей яких забезпечує низькі коефіцієнт тертя й інтенсивність зношування при необхідних режимах навантаження. Різноманіття конструкції вузлів тертя, умов експлуатації й вимог до експлуатаційних, технічним і економічним характеристикам триботехнічних матеріалів привело до створення великої кількості методів їх одержання й зміцнення.

Досить сказати, що далеко не повний перелік технічних характеристик, яким повинен задовольняти матеріал, включає;

* забезпечення правила позитивного градієнта механічних

властивостей по глибині;

* здатність матеріалу локалізувати контактні деформації в можливо більш тонкому поверхневому шарі;

* здатність матеріалу створювати на поверхні тертя й безупинно відновлювати в процесі зношування пластичну плівку. що володіє низьким опором зрушенню й високим опором руйнуванню при багаторазовому знакозмінному деформуванні;

* сумісність із матеріалом контр тіла й мастильним матеріалом. низька адгезія до контр тілу й висока змочуваність мастильною речовиною;

* високі несуча здатність, теплопровідність і теплостійкість;

* низький коефіцієнт теплового розширення;

* стабільність і низькі значення коефіцієнта тертя й інтенсивності зношування;

* гарна приробітка і технологічність.

Оптимізація макроструктури матеріалів. Мікроструктура, або конструкція, матеріалу відіграє досить важливу роль у забезпеченні довговічності вузла тертя. Тому залежно від режимів навантаження використовують матеріали блокові, стрічкові, багатошарові, армовані й із плавно мінливими по товщині властивостями. Керування мікроструктурою матеріалів. Його досить великий матеріалознавський напрямок поліпшення триботехнічних властивостей матеріалів. Воно засноване на залежності зносостійкості й механічних властивостей металів від розміру зерна, кристалографічної текстури, а для полімерів від ступеня кристалічності, розмірів і типу надмолекулярних утворів. Зміна мікроструктури матеріалів досягається за допомогою термомеханічної обробки, вибору режимів формування деталі, впливу потоків енергії високої щільності, уведення активних наповнювачів і модифікаторів.

Вибір і модифікація сполучного. При одержанні деталей трибосистем з композитів важливу роль відіграє вибір сполучного, структура й властивості якого визначають припустимі режими експлуатації композита в цілому. У якості сполучного застосовують метали, полімерні матеріали, кам'яновугільний пек. Матеріали на основі полімерної матриці мають високі антифрикційні властивості й здатні експлуатуватися при середніх навантаженнях і швидкостях ковзання. Найбільше широко використовують поліаміди, фторопласти, полиацетали, фенодні, епоксидні й кремнієорганічні смоли, каучуки й поліуретани. Останнім часом велика увага приділяється полімерам "нового покоління" поліефір- ефиркетонам і поліакрил-ефиркетонам, що володіють високою термостійкістю й низьким коефіцієнтом тертя.

1.2 Основні триботехнічні методи зміцнення, при використанні порошкових матеріалів деталей АНТ

Спектр технологічних способів створення, поновлення й ремонту зносостійких антифрикційних покрити дуже широкий . Звичайно, на практиці в ремонтних підприємствах прагнуть сполучити вищевказані способи з операціями по формуванню необхідних фізико-механічних властивостей поверхневого шару, при цьому зарекомендував себе структурно-енергетичний підхід [12]. У роботах [13, 14] запропонований технологічний процес нанесення зносостійких і антифрикційних покрити методом плазмового й індукційного наплавлення. Однак, їм характерні істотні недоліки: деформація виробів, у наслідок високої погонної енергії наплавлення, нерівномірність властивостей матеріалів, які наплавляються, обмежений вибір їх з'єднань, значна пористість і ін. [13]. Більш прогресивному методу електро-контактного напрямку не властива рівномірності властивостей покриття, що створюються, не статистична репрезентабельність значень міцності зчеплення, зносостійкості, а також можливість створювати шари тільки на поверхні тіл обертання. [13]. У роботі [15] розглядається електроіскрове нанесення по епюру нерівномірного зношування дискретних покриттів. У роботах [13, 16, 17] відзначається застосування у вітчизняній і закордонній практиці поновлення зношених деталей різних модифікацій розпорошеністю металопокриттів. Але, при підвищених навантаженнях на зрушення й стиск, а також при відсутності змащення, металізовані покриття різко втрачають захисні властивості [17], а це, відповідно, обмежує їхнє застосування. Для електролітичних покрити [18-21] характерно негативний вплив товщини на втомну міцність. Звідси зниження витривалості основного металу, не герметичність покрити, не великий вихід по струму й мала продуктивність, слабка здатність електроліту розкривати й негативний екологічний вплив. Також застосування відзначених покриттів обмежується зношуванням, величина якого по технічних умовах не повинна перевищувати припустимих значень (до 200 мкм), а працездатність їх значною мірою залежить від умов розробки, змащення й зовнішніх впливів. Методи газотермічного напилення мають високу продуктивність і широке застосування як за асортиментами робітників матеріалів, так і по номенклатурі ремонтованих виробів. Технологія дозволяє одержувати покриття товщиною 2,0-4,5 мм, як на локально зношених ділянках, так і по всій робочій поверхні [12]. Визначальними технологічними параметрами газотермічних методів напилення є температура й швидкість газового потоку, що забезпечують відповідні енергетичні характеристики робочим часткам порошкового матеріалу, а також хімічний склад газового потоку, якої обумовлює характер його взаємодії з робочим матеріалом. До основних методам газотермічного напилювання, які придбали поширення в практиці ремонтних підприємств, ставляться: газополум'яний, плазмовий і детонаційно-газовый. Джерелом нагрівання часток матеріалу газотермічних покриттів є полум'я газових сумішей, а джерелом прискорення - струмінь стисненого повітря [23]. При формуванні теплового потоку використовується енергія, яка виділяється при згорянні суміші кисню й газу (пропан, бутан або ацетилен). Відзначимо, що кисневе полум'я має найбільшу теплоту згоряння й тому частіше використовується при напилюванні. Зазначені методи відрізняються між собою фізико-хімічними процесами робочих циклів, технологічним устаткуванням, закономірностями взаємодії матеріалів покриттів з газовими середовищами, особливостями формування покриттів і їх властивостями й, як наслідок, можливостями практичного застосування газополум'яного покриття. При застосуванні газополум'яного покриття, початкові матеріали можуть використовуватися у вигляді проведення, прутиків, порошків, або гнучких шнурів, оболонка яких складається з органічного полімеру. Швидкість польоту часток при газополум'яних покриттів залежить від тиску газів і розміру часток [14]. Наявність кисню в потоці газу значно обмежує номенклатуру матеріалів для створення покриттів, тобто матеріал, який використовується для газополум'яного покриття, не повинен розщеплювати й горіти в полум'ї. газополум'яне покриття в основному використовуються для захисту чорних металів від корозії, поновлення розмірів зношених легко навантажених деталей, підвищення антифрикційних властивостей пари тертя. До основних недолікам газополум'яних покриттів можна віднести недостатній рівень міцності зчеплення покриттів з основою, наявність пористості, яка перешкоджає застосуванню покрити в корозійних середовищах без додаткової обробки й невисокий коефіцієнт використання енергії газополум'яного струменя нагрівання порошкового матеріалу [17]. Плазмові покриття. Плазма є високотемпературним джерелом нагрівання й характеризується тому, що її теплоенергетичні й газодинамічні параметри (температура, швидкість, склад, тиск і ін.) можна регулювати в широких границях. Це дає можливість напилювати покриття з тугоплавких матеріалів у тому числі високотемпературні окисли й безкисневі тугоплавкі з'єднання. Але матеріал у плазмовому струмені повинний не сублімуватися й інтенсивно не розщеплюватися . Плазмові покриття характеризуються суцільною арковою структурою, яка виникає в результаті сильної деформації й дуже швидкої кристалізації часток покриття, тому місткість кисню й азоту в покритті може досягати десятих часток відсотка й більше . Слід зазначити, що при плазмовому напиленні інертні плазмостворюючі гази не створюють цілком захисну атмосферу на всій траєкторії польоту часток матеріалу покриття, тому властивості покрити відрізняються від властивостей початкового матеріалу. У цілому, плазмові покриття пористі й мають незначну міцність зчеплення . Зносостійкість покрити значною мірою визначається якістю підготовки поверхні до нанесення покриття з метою забезпечення максимальної її шорсткості й хімічної активності. Основу операції підготовки становить газоерозійнаі обробка з використанням кварцового піску або корунду зі сталевої крихти .Детонаційно- газові покриття. При детонаційно-газовому методі частки матеріалу покриття при напилюванні мають найбільшу швидкість. У такий спосіб обмеження по температурі напилювання компенсуються вищою кінетичною енергією часток. Виникає активна взаємодія спрямованих часток з поверхнею деталі й забезпечується висока міцність зчеплення (майже як у монолітному матеріалі [6]) і щільність покриття. Для детонаційно-газового напилювання придатна значна номенклатура порошкових неорганічних (а також тугоплавких) матеріалів і будь-які поверхні. Детонаційно-газові покриття добре зарекомендували себе в умовах підвищених навантажень і температур, інтенсивного зносу й агресивних середовищ. На основі аналізу вищевказаних робіт була складена таблиця 1.

Таблиця 1. Основні характеристики газотермічних методів нанесення зносостійких порошкових покриттів

Основними перевагами детонаційно-газових покриттів є:

- міцність зчеплення з деталлю (основою), яка перевищує міцність зчеплення покрити подібних методів в 5-9 раз і, у свою чергу, забезпечує їхню високу працездатність в умовах граничного тертя й при відсутності змащення;

- мала пористість, що дозволяє застосовувати покриття для деталей, які працюють в агресивних середовищах;

- менша шорсткість формуючої поверхні, яка залежить від дисперсності порошку, рельєфу поверхні й режимів, дозволяє застосовувати деталі з напилюванням без додаткової механічної обробки;

- широкий діапазон товщини напиленого шару дозволяє відновляти нерівномірно зношені поверхні зі значними локальними руйнуваннями;

- обмежена температура нагрівання деталі, практично не впливає на структуру матеріалу деталі й дозволяє наносити покриття з різних порошків не тільки на метали й сплави, але й на вироби із пластмас, гуми, скла й інше.;

- застосування спеціальних видів підготовки поверхні деталі до напилюванню (добре струмінна й піскоструминна обробка, вирівнювання) дозволяє не тільки зберегти початкову втомну міцність, але й підвищити її;

- простота налагодження встаткування й підготовки обслуговуючого персоналу. Однак слід зазначити, що на даному етапі для детонаційних методів нанесення зносостійких інше. характерне використання порошкових матеріалів утримуючих дорогі й дефіцитні компоненти (W, Nі, Co і ін.).

1.3 Обґрунтування доцільності відновлення деталей

При розв'язку питання про доцільний спосіб відновлення деталі, у якості оціночного показника потрібно встановити комплексний показник якості відновлення, що враховує ресурс відновленої деталі, сумарні витрати на відновлення й експлуатацію. За такий комплексний показник якості відновлення деталі можна прийняти інтегральний показник, де техніка - економічний ефект відновлення () ставиться до наведених витрат () на складання, зберігання, транспортування деталей, розробку процесу відновлення деталей, експлуатацію відновленої деталі;

;

Де ; ( ) - інтегральний показник якості відновлення деталі ;

=++

- вартість простою виробу ;

- собі вартість відновлення деталі ;

- вартість усунення відмов (заміна, регулювання)

і вартість ремонтних матеріалів, що витрачаються при усуненні відмов

Ефект від експлуатації деталі може, зокрема , виражатися у вигляді ресурсу деталі, якщо прибуток від її експлуатації пропорційна наробітку деталі. Найбільш ефективним є спосіб відновлення, що має максимальне значення . Для оцінки доцільності виробів можна зіставити показником якості нової деталі обумовленим аналогічно

; ;

Де;

- ефект від експлуатації нової деталі ; - витрати на виготовлення й експлуатацію нової деталі ;

Уведемо позначення ;

?= -;

?=-;

Тоді рівень якості відновлення виразиться у вигляді ;

Де - відносне зниження (або відносне підвищення при З 0) витрат на відновлення й експлуатацію відновленої деталі замість нової ;

? - відносне зниження значення показника якості відновленого виробу.

Тоді критерієм технічної й економічної доцільності відновлення або умовою ефективності відновлення якості виробу є виконання нерівності ;

I1 , отже ,

;

Якщо представляти процес відновлення в координатах ? , ? , то при заданих і ефективними той процес відновлення, який відповідає рівності ;

?= ?;

1.4 Постановка завдань дослідження

Таким чином, вивчення експлуатаційних ушкоджень залежно від характеру несправностей дозволяє укласти, що широка номенклатура рухливих з'єднанні бракується через підвищене локальне зношування й недолік технологічних рекомендацій і матеріалів по їхньому надійному ремонту відновленню. При цьому на ремонтних підприємствах у практиці поновлення об'єктів авіаційної техніки зложилося гостре протиріччя між необхідністю наступного підвищення зносостійкості відновлюваних деталей і відсутністю як науково обґрунтованих методів її підвищення, так і рентабельної технології їх поновлення. Відзначене протиріччя може бути дозволене шляхом всебічних експериментально-теоретичних досліджень фізико-механічних процесів підвищення поверхневої міцності застосовуваних при поновленні покрити й підвищення ефективності технологій ремонту. Що щодо мети магістерської роботи, означає розробку детонаційного зносостійкого покриття на основі не дефіцитних і не дорогих компонентів в умовах тертя й зношування, з позицій структурно-енергетичної теорії.

1.5 Розробка часткових завдань дослідження

Виходячи з мети роботи були розроблені наступні часткові завдання дослідження:

* розробити методологічні основи створення детонаційно-газових зносостійких покриттів з порошкових матеріалів системи Fe-Mn.

* установити компонентний склад детонаційно-газових зносостійких покриттів системи Fe-Mn

* вивчити закономірності формування й зношування поверхневих структур детонаційно-газових покриттів системи Fe-Mn

* установити галузі практичного застосування досліджуваних покриттів при зміцненні й поновленні деталей трибо технічного призначення

Розділ 2. Об'єкти, засоби й методика досліджень

Дослідження процесів тертя й зношування матеріалів вимагає комбінації теоретичних і експериментальних підходів, сполучення сучасних фізико-хімічних методів дослідження поверхні з досягненнями методології планування й обробки експерименту.

2.1 Науково-методологічні положення вивчення процесів тертя й зношування

У трибофізичних системах закономірності виникнення й розвитку процесів зношування визначаються властивостями поверхневих шарів. Залежно від умов тертя, якісні й кількісні параметри взаємодії поверхонь можуть змінюватися в широкому діапазоні. Розробка й застосування детонаційно-газових порошкових покриттів є одним з перспективних методів у триботехнічному матеріалознавстві. Специфіка застосування детонаційно-газового напилення обумовлена певною складністю процесів формування покриттів, принциповою новизною й істотними відмінностями їх від традиційних методів нанесення зносостійких шарів. Що, у свою чергу, вносить необхідність розробки науково-методологічних основ обґрунтування, постановки й проведення комплексних досліджень. Методологічний підхід допускає необхідність розгляду показників надійності деталей, які відновляються, розробку наукових основ впливу початкового порошкового матеріалу й вхідних технологічних параметрів напилення на оптимізацію властивостей покриттів, дослідження багатостадійних процесів у зоні контактної взаємодії, елементарним актом якого є розрив міжатомних зв'язків і структурно-фазові перетворення, руйнування й регенерація фрагментів тонких плівок (поверхневих структур). Особливість методичного підходу до аналізу процесів тертя й зношування детонаційно-газових порошкових покриттів, полягає в тісній взаємодії експериментальних і теоретичних методів, із застосуванням методик комплексного дослідження. Відповідно до цих методик і поставленими завданнями дослідження здійснювався аналіз якісних змін стану й властивостей поверхонь тертя, вивчення кількісних змін, які відбуваються при зношуванні, а також обґрунтування вибору приладів і встаткування. Відносно детонаційно-газових покриттів необхідно досліджувати: зміни структури в самих тонких поверхневих шарах пар тертя; зміни хімічного складу в тонких поверхневих шарах; теплові явища при терті й зношуванні покриттів; зміни механіко-фізичних властивостей поверхневих шарів трибоматеріалів; зміни мікрогеометрії поверхонь.

Фізико-механічний рівень. На відзначеному рівні враховувалося конструктивне різноманіття контактних поверхонь тертя. При цьому оцінки якості зносостійких детонаційно-газових покриттів у з'єднанні з аналізом умов їх експлуатації стали основою для обґрунтованого вибору показників довговічності деталей з урахуванням кількісних закономірностей процесу тертя й зношування. А саме, інтенсивність зношування (Іh) - показник зносу, адгезійна міцність зчеплення (узч) - показник впливу технологічних параметрів детонаційно-газового напилення, і мікротвердість поверхневих шарів покриттів (Зм) - показник, який обумовлює основні властивості матеріалу покриттів. Таким чином, ураховується вплив основних показників, які характеризують опір зносу й технологічний параметри покриттів, а також матеріалознавських, які зв'язані зі структурою й властивостями матеріалів для напилення.

Rфм = F(Іh, узч, Зм)

Метало-фізичний рівень. При дослідженні відзначеного рівня з метою вивчення закономірностей структури й будови покриттів, пояснення взаємозв'язків технологія - структура й будова - властивості були використанні тонкі методи дослідження. Це F рентгено-електрона спектроскопія, растрова електрона мікроскопія, рентгенівський мікроаналіз, рентгено-фазовий аналіз . Знання основ і можливостей зазначених методів є принциповою умовою успішної діяльності при розробці матеріалів для напилення й аналізу отриманих результатів і, у свою чергу, дозволило визначити наступні положення. Макроскопічні властивості матеріалу покриттів характеризують дія зовнішніх впливів на них. Однак зазначені властивості визначаються внутрішніми особливостями матеріалу (зокрема , розподілом і величиною залишкових напруг (узн), його структурою (S) і будовою (CS). При цьому під структурою будемо розуміти атомарна будова матеріалу, включаючи тип, число й розподіл дефектів кристалічних ґрат (вакансії, сторонні атоми, дислокації, границя зерен), а під будовою - кількість фаз, включаючи величину зерна, його взаємне розташування в обсязі й орієнтацію.

Rмф = F(узн, S, CS)

Фізико технологічний рівень. Одним з методологічних напрямків у розробці порошкових матеріалів для детонаційно-газових покриттів, які мають високі триботехнічні властивості, стало створення багатокомпонентних порошкових сумішей методом термодиффузійного легування за рахунок гетерогенізації початкової сировини. Проведені дослідження [24] показали, що для легованих сталей і сплавів отриманих методом дифузійного насичення, як показник доцільніше всього використовувати гранулометричний склад порошкових матеріалів (G). Гранулометричний склад, у свою чергу, змінюється в широкому діапазоні й залежить від складу початкової шихти (Cpш), режимів дифузійного насичення (rдн) і наступної обробки порошкового матеріалу (rобр).

Rфт = F(G),

де G = f(Cpш, rдн, rобр)

Інформаційний рівень. Розвиток і ускладнення методів дослідження, умов функціонування триботехнічних систем показує, що процес створення детонаційно-газових покриттів з керованими властивостями має багато розв'язків (іноді навіть не певних), тому дослідникові необхідно враховувати якість інформації (Q): важливість (іmp), терміновість (e), ступінь суперечливості (dc). Також прийняття того або іншого розв'язку, у свою чергу, залежать від характеру досліджень (TE): ресурсного забезпечення (rp) і наукової доцільності (se).

Rі = F(Q, TE),

де Q = f(іmp, e, dc)

TE = f(rp, se)

У якості трибопокриттів для порівняння використовували покриття на основі нікелю й карбіду вольфраму. Зазначені покриття одержали широке визнання в практиці й впровадження в промисловості.

2.2 Фізико-хімічні методи аналізу поверхонь тертя

Фізичні методи дослідження процесів тертя й зношування проводили на макро-, мікро- і субмікроскопічних рівнях. Макроскопічний аналіз здійснювався візуально й фотографуванням. Це дозволило оцінити ушкодження, ступінь при роботі й характер процесу зношування трибоповерхнні. Для мікроскопічних досліджень використовувався мікроскоп МІМ-8М. Підготовлялися мікрошліфи - у спеціальних струбцинах стикувалися, розділені мідною прокладкою, дві поверхні перетинання покриття. У наступному підготовка металографічних шліфів проводилася за методикою робіт. Визначення мікротвердості матеріалів покриттів проводили методами вимірів за Роквелом відповідно до ГОСТ 9013-59. Дослідження микробъемов детонаційно-газових покриттів покриттів здійснювали методом виміру мікротвердості поверхневих шарів відповідно до ГОСТ 9460-68 на мікротвердомірі ПМТ-3. Навантаження на індентор вибиралася виходячи з механічних властивостей досліджуваних покриттів і залишалися незмінної. Глибина відбитка не перевищувала 2 мкм. Шорсткість робочої поверхні шліфа при вимірах мікротвердості доводилася Ra=0,32 відповідно до ГОСТ 2789-73. Мікрорельєф поверхні вимірявся профілометром профілографом (мод. 201 заводу "Калібр"). Міцність зчеплення детонаційно-газових покриттів з металевою основою визначалася методом "конусного штифта" . Дослідження проводили на зразках, у яких штифт і отвір у шайбі мали форму конуса, що забезпечувало зменшення зазору в з'єднанні й збільшення точності виміру в порівнянні із циліндровою формою. Діаметр робочої поверхні штифта становив 1,5-2,0 мм, що виключало поперечне й змішане руйнування покриття. На поверхню штифта й шайби наносили покриття товщиною не менш 200 мкм. Випробування проводили на універсальній розривній машині УТС-10 зі швидкістю руху активного захоплення 2,0 мм/хв. Товщину покрити контролювали мікрометром. Щільність покрити визначали шляхом напилення на плоску сталеву основу шаром 6 мм, а потім відокремлювали й гідростатично зважували його за методикою викладеної в роботі [25].Для визначення інтенсивності зношування використовувалися схеми торцевого тертя на установці М-22ПВ , у діапазоні швидкостей до 1 м/с і навантажень до 10 мПа. Рентгенофазний аналіз поверхонь тертя проводився дифрактометром ДРОН- УМ1. Зйомка здійснювалася в широкому кутовому діапазоні в З- випромінюванні. Спочатку прописувалася дифрактограма зі швидкістю 1/2 за хв. з обертанням зразків. Потім піки, виявляються більш детально прописувалися зі швидкістю 1/8є й 1/16є за хв. Напруга 25 кВ, струм - 15 мПа. Дослідження хімічної мікро неоднорідності здійснювалося мікроаналізатором фірми "Cameka" моделі MS-46. Вимір інтенсивності рентгенівський проводили в тотожних ділянках мікроструктури. Були отримані знімки в поглинених електронах і рентгенівських променях. Електронні мікрофотографії детонаційно-газових покриттів робили на мікроскопі JEM-100CXP при зйомці в трансмісійному режимі за допомогою двоступеневих вуглецевих реплік, що напилювався у вакуумі й відтінялися окисом вольфраму. Напруга, яка пришвидшує, була 80 кВ. Рентгенографічне вивчення тонкої структури проводилося на установці УРС-50И с іонізаційним записом в Fe- випромінюванні. Для фізичного розширення ліній обумовленого диспергуванням кристалітів і перекручуванням кристалічних ґрат. З метою виявлення закономірностей між структурою й властивостями детонаційно-газових покриттів використовувався метод апроксимації з наступним уведенням виправлень. Розміри блоків мозаїки підраховували методом екстинкції. Для дослідження самого тонкого поверхневого шару (продуктів зношування) застосовувався метод дифракції електронів на установці ЭМР-100 у режимі дифракції на відображення з поверхні тертя при напрузі, яка з ковзає , 100 кв.

2.3 Математична модель процесів тертя й зношування покрити по пружно - пластичній основі

На підставі [12-21] простір існування властивостей детонаційно-газових покриттів можна описати, як: Щ (Rфм Rмф Rфт Rі)

З обліком першого обмеження: Щ Ш

де Ш - простір у якому властивості детонаційно-газових покриттів мають фізичний сенс.

Приймаючи до відома тези "технологія-структура" і "структура-властивості" додаємо друге обмеження фазовий коефіцієнт дефектності матеріалу, якої показує як дана структура покриття співвідноситься з його ідеальною структурою в умовах коли структурна густота постійна, (Кдф) > 1 Відносно триботехнічних властивостей відзначених покриттів додаємо третє й четверте обмеження:

У такий спосіб: mіn І = f(Щ)

Для практичних розрахунків ухвалювали дещо спрощений підхід:

де І - інтенсивність зношування;

- вектор змінних факторів;

- вектор супутніх факторів.

= {V, P, T, p, M, L, ф}

де V = [0,1ч2] - швидкість ковзання, м/с;

P = [1ч20] - навантаження, МПа;

T = [423ч823] - температура нагрівання, oК;

p ?105 - тиск, Мпа;

M - матеріал пари тертя;

L - мастильний матеріал;

ф = [1ч5] - час, год.

= {у, Hм, t, м, R, }

де у - адгезійна міцність зчеплення;

Hм - мікротвердість;

t - температура в локальному контакті;

м - коефіцієнт тертя;

R - режими нанесення покриття;

- вектор факторів, які не враховуються.

2.4 Планування експерименту й обробка результатів експериментальних досліджень

Основна складність при вивченні процесів тертя й зношування є наявністю великої кількості флуктуацій, керованих і контрольованих факторів. Також необхідно відзначити, що на умови формування детонаційно-газового покриття не однозначно впливають біля двадцяти п'яти факторів (конструкція установки, властивості порошкового матеріалу й ін.). Однак методи планування експерименту дозволяють ефективно орієнтуватися й досягати мети в умовах складних слабко організованих системах, а також забезпечити задану точність обробки результатів і їхня відтворюваність. На думку авторів [17] знос матеріалів у процесі тертя підкоряється нормальному або логарифмічно нормальному закону розподілу. Математична модель процесу відображалася у вигляді системи рівнянь, які зв'язують функцію відкликання (Іh) від вибраних факторів у вигляді полінома третьої (в окремих випадках другого) ступеня за допомогою спеціалізованих пакетів "Excel", "Mathcad" з використанням типових вбудованих функцій. У цілому повно факторний експеримент організовували за методикою викладеної в роботах [18,20]. Методом апріорного ранжирування визначали число факторів (n=3) і кількість досвідів N=2n. З метою усунення впливу флуктуацій і інших не бажаних факторів експеримент рандомізували за законом більших чисел. Потім, задавали рівні варіювання й становили матрицю планування експерименту. Надалі додатково використовувалися рекомендації робіт [12,13].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5