Триботехнічні властивості: зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів (стр. 11 из 22)
3.2. Регуляція параметрів тертя й зношування композиційних покриттів системи Fe-Mn за рахунок додавання до складу масел з ламелярной структурою
застосування дисульфіду молібдену додавання сульфідів металів безпосередньо в композиційні матеріали почалося з використання сірчистого заліза й марганцю, потім сірчистого цинку, міді й свинцю. До теперішнього часу виконана велика кількість досліджень по вивченню властивостей різних сульфідів і їх взаємодії з металом-основою антифрикційних матеріалів. Одним із твердих масел, які здатні розділяти поверхні тертя завдяки утвору плівки, що екранує, яка запобігає зв'язуванню й налипання матеріалів, є дисульфід молібдену. Застосування дисульфіду молібдену як твердого масла певною мірою залежить від умов тертя, зокрема , від складу навколишнього середовища, і влаштоване особливостями його структури. В основному, дисульфід молібдену розглядається як структурне масло, тобто працездатність якого визначається шаруватою будовою її структури. Слід зазначити, що серед деяких сульфідів чия гексагональна структура має щонайкраще виділені зони спайності (сульфіди Tі, W, Mo, Nі, Co, Cr і Al) [58], дисульфід молібдену найбільш досліджений для процесів тертя й зношування. Так, наявність шарів двох різних атомів і міцний зв'язок між ними в горизонтальній площині й більш слабка у вертикальної - забезпечує легке ковзання тонких шарів. Шари володіють високими, опором стиску й здатні витримувати значні навантаження [30]. Використання дисульфіду молібдену [18,25] здійснюється як у вигляді порошків, які втираються в робочу поверхню або наноситься у вигляді плівки на основу або пресуванням на поверхнях у коверлах при змащенні ротапринтим методом. Відомі спроби застосування газополум’яного методу нанесення часток твердого масла в суміші із частками основного матеріалу. Широке поширення у вузлах тертя одержали спечені матеріали, які складаються з металевої матриці й розподіленої в ній твердим маслом.
Однак, залежності, які зв'язують параметри тертя й зношування композиційних покрити, що мають у якості структурних складових MoS2, від величин зовнішніх впливів, тепер вивчені недостатньо. Необхідно відзначити, що в літературі вказуються часом суперечливі значення параметрів терть, які характеризують антифрикційні властивості матеріалів при добавці дисульфіду молібдену. Це, на думку автора, обладнане тим, що випробування здійснюються, як правило, при різних умовах, а також не завжди враховуються всі фактори, які впливають на антифрикційні властивості згаданих покриттів.
3.3 Випробування на зносостійкість композиційних покриттів при терті без змащення
Докладні дослідження в галузі тертя й зношування вітчизняних і іноземних учених розкрили складні причинні - слідчі залежності. Відзначені залежності, обумовлені не тільки значною складністю фізико-хімічних процесів, що протікають у зоні фрикційного контакту, тобто яким прийнято вважати: фізико-механічні характеристики тертьові поверхонь, їх макро- і мікрогеометрію, властивості зовнішнього середовища, швидкість ковзання, навантаження на контакті, температуру, умови й вид тертя.
3.4 Вплив швидкості ковзання й навантаження на опір зношуванню
Для розкриття взаємозв'язків між опором зносу досліджуваних покрити (рис. 3.4.1), їхньою структурою, складом фаз і впливом зовнішніх факторів, які визначають експлуатаційну стійкість вузлів тертя, були використані сучасні фізичні методи дослідження.
Рис. 3.4.1. Залежність інтенсивності зношування від швидкості ковзання для покриттів систем типу: 1- Fe-Mn-Cr-Al-B: 2- Ni-Cr-Si-B-C: 3- WC-Co.
Вивчення зон локалізації структурних складових і кількісний хімічний аналіз здійснювалися методами якісного, а потім наступного кількісного рентгенівського дисперсійного енергетичного аналізу на установці "Lіnk-860". Дослідження вторинних структур і поверхневого шару, тому що саме перебіг процесу трибоактивація впливає на інтенсивність окиснення й схоплювання, здійснювався за допомогою мікро фазового аналізу методами зондової растрової електронної мікроскопії на установці "Самsкаn". Товщина поверхневих шарів з урахуванням порушення становила не менш 1,5 мкм, відносна погрішність виміру - 1%. Для хімічного аналізу вторинних структур і їх складових зон локалізації використовувалася програма ZAF-4/FLS. Також з метою вивчення стану поверхні був застосований метод дифракції електронів. Дослідження проводилися на електронографі ЭМР-100. На мал.3.4 наведена електронограма від поверхні тертя детонаційно-газового покриття системи Fe-Mn-Cr. Характер дифузійного ореолу свідчить, що орієнтована структура поверхні має кристалічна дисперсна будова. Це підтверджується дослідженням хімічної мікро неоднорідності, які проведені на мікроаналізаторі "КАМЕКА" моделі МS-46. При порівнянні відбитків, які зняти в поглинених електронах і в рентгенівських променях, не представлялося можливим ототожнити ділянки структури, виявлені в поглинених електронах з розподілом елементів (Мn, Сr, Al, Fе) у характеристичних рентгенівських променях. Вид розподілу елементів у рентгенівському Кб - випромінювані по Мn, Сr, Al, а також у поглинених електронах представлений на мал. 3.5. Незважаючи на те, що вимір інтенсивності рентгенівського випромінювання проводився в ідентичних ділянках мікроструктури отримані розбіжності в хімічному складі детонаційно-газового покриття підтверджують наявність у ньому не рівномірністю дисперсної структури.
Науково-дослідних робіт, які розглядають характер і інтенсивність структурних змін трибоповерхні й прилягаючих до них мікрообсягів, дуже мало, тому закономірності структурних перетворень у поверхневому шарі багатофазних триботехнічних матеріалів вивчені недостатньо. З позицій структурно-енергетичної теорії доведене, що еволюція процесів механохімічної адаптації обумовлює утвір на поверхнях тертя вторинних структур першого й другого типів, і їх формування здійснюється при кооперативному впливі деформації, нагрівання й дифузії. На підставі даних і з урахуванням робіт [8,15] можна вважати достовірним, що зазначений процес супроводжується диспергируванням структури поверхневого шару й утвором у результаті цього ущільнення й спікання захисних плівок, які полегшують опір зрушенню. Кінетика розвитку пластичної деформації при терті монолітних матеріалів викладена в роботах [10, 15]. У поверхневому шарі залежно від умов тертя змінюється щільність не ідеальна, що виникають при пластичній деформації, а також відбуваються процеси розчинення й утвору структур, які кріплять. Це досліджувалося в роботах [14, 16], але в основному на однофазних пластичних матеріалах. Структурний і хімічний склад шарів, які взаємодіють у процесі тертя, - один з найважливіших аспектів фізики поверхневих явищ у теорії тертя й зносу, однак дотепер проведені нечисленні й несистематичні дослідження в цьому напрямку, який робить дуже складним використання континуальних моделей для аналізу еволюції структур поверхневих шарів. У роботах Л.М. Рибаковой розглянуті деякі результати зміни хімічного складу поверхні матеріалів при терті, а в роботах [16, 20] - в умовах тертя при нагріванні, яке в цілому свідчить про наявність нестаціонарних дифузійних процесів у шарах, які прилягають до вільної поверхні, а також про значне збільшення швидкості дифузії. У цілому можна констатувати, що вплив легуючих елементів і структури гетерогенних матеріалів пара тертя на фазовий склад і властивості поверхневих плівок вивчене не досить. Дослідженнями останніх років переконливо доведена вирішальна роль захисних плівок, які безпосередньо формуються на поверхні в умовах тертя, на триботехнічні характеристики матеріалів. Із усіх факторів відзначених покриттів, які впливають на характеристики, основну частку вносять, по-перше, структура й фазовий склад поверхневого шару, а по-друге, поверхневі плівки, які утворюються при терті. Отже, вивчення будови й властивостей відзначених плівок є необхідним аспектом сучасної фізичної трибології й представляє важливе наукове й прикладне значення для забезпечення стійкого прояву нормальних механохімічних процесів.
З метою всебічного вивчення тонких поверхневих шарів, у яких протікають процеси структурно-термічного активування, додатково був використаний метод вторинної мас - спектрометрії (ВИМС). Даний метод дозволив проаналізувати зміну мікроструктури в поверхневих шарах, установити природу фаз, їх кристалічну структуру і параметри елементарної чарунки, які необхідні для ідентифікації фаз і складу в межах області їх однорідності. При цьому, вторинні іони, які вилучалися з поверхні зразка, досліджувалися квадрупольним аналізатором мас, а енергія первинного іонного пучка становила 10 кэВ. Під час аналізу реєструвалися спектри позитивних вторинних іонів у діапазоні мас 0-100 і т.д. Для підвищення чутливості використовувався динамічний режим роботи. Було підтверджено, що мікроструктура поверхневих плівок має дрибодисперское будова й складається із суміші фаз композиційного покриття й продуктів взаємодії з киснем повітря й за стехіометричним складом є складним важко активізуємим комплексом у вигляді дрибодисперської суміші окислів Cr2O3, Al2O3, Mn2O3і складних фаз типу хромооксидів MnCr2O4. Крім того, було уточнено, що в нерівномірній тетрафазній структурі, що утворюють дрибодисперсні окисли, фаза Mn2O3 визначається гексагональними ґратами з параметрами, а=0,295 нм, с=0,724 нм; зміст шпінелі відповідає, двом видам MnСr2O4, що має, а=0,825 нм, з=0,844 нм і а=0,583 нм, с=0,841 і різняться ступенем тетрагональності. Установлене появ нових структурних складових, які представляють практично рівномірний розподіл еліпсодреблих фрагментів, які відрізняються додатковим розчиненням боридних фаз у залізній матриці. Також відзначена присутність ультрадисперсних новотворів, які збагачені бором, складу типу МеВ2, МеВ4, МеВ6 і МеВ41. Структуру їх визначають атоми бору, які утворюють міцні пидрешитки з вираженими зв'язками В- В. Певна наявність складних боридних фаз, які легирований марганцем, типу (CrМn) 4B5, (CrМn) 4B3 і інтерметалідних з'єднань алюміндів типу МеАl3, МеАl2, МеАl, а також фаз твердих розчинів на основі моноалюмініда. Крім того, утворений при взаємодії вищих боридів хрому й кисню навколишнього середовища, борний ангідрид (В2О3), який є хімічно активною формою борної кислоти, перетворює окисли металів у метаборат (типу Mn(BO2) 2), а це, відповідно, сприяє утвору на робочих поверхнях грузлої щільної "глазурі". Таким чином, утвір плівок вторинних структур обладнане фазовим і хімічним складом поверхневого шару. Для особливо характерні зміни, які пов'язані із впливом механічних і теплових імпульсів, а також дифузійних процесів легуючих елементів і кисню навколишнього середовища. Слід зазначити, що за своєю будовою об'єкти дослідження - тонкі плівки (вторинні структури) близькі до структури дисперснозміцненого композиційного матеріалу. Такі матеріали, як відомо, мають унікальне з'єднання високої пластичності й міцності, мають високу стабільність відзначених характеристик у часі. Збільшення швидкості ковзання практично не відбивається на зміні триботехнічних характеристик детонаційно-газових покрить. По всьому діапазону випробувань досягається стійка динамічна рівновага між процесами активації й пасивіровки. Саме в цьому обумовлена повна затримка процесів зв'язування. Характер зміни коефіцієнта тертя (мал.3.7), яке визначає втрати енергії у вузлах тертя, збігається із установленою закономірністю тертя й зношування покрити. Зниження коефіцієнта тертя, його стабільність при підвищенні швидкості ковзання свідчить про високу працездатність детонаційно-газових покрить, як на основі легованого порошку заліза, так і твердого вольфрамового сплаву (BKІ5). При даних фазового аналізу структура детонаційно-газових покриття виявляє собою твердий розчин із Гцк- граткою на основі заліза й дрібно дисперсної суміші фаз, які кріплять головним чином у вигляді боридів хрому й алюмінідив заліза (табл. 3.2). Додавання легуючого бору обумовлене утворенням боридних фаз на основі хрому [16], легування алюмінієм - утворення фаз типу FeАl2 і Fe2Al5, склад і властивості яких визначаються наближеністю атомних радіусів елементів, їх хімічним спорідненням, що пов'язане з положенням у періодичній системі [16].