Триботехнічні властивості: зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів (стр. 13 из 22)
Таблиця 3.4. Значення критичних навантажень досліджуваних покрити.
| матеріал | Критичне навантаження, мПа | |
| Однойменніпари тертя | Різнойменніпари тертя | |
| Сталь 45 30ХГСАПокриття з легованого FeПокриття на основе NiВК15 | 3,02,68,16,28,8 | --8,57,58,8 |
Значення критичних навантажень для гартівних сталей значно менше. При терті зразків з гартівних сталей (криві 7 і 8, мал. 3.13) процеси, що ушкоджується супроводжуються інтенсивним зкріпленням і виявлені більш характерно. Також спостерігається їхня інтенсифікація при збільшенні навантаження. У роботі [17] підкреслюється, що знос не можна зв'язувати з певної одним властивістю плівки окисла. Знос визначається комплексом властивостей, зокрема , крихкістю, твердістю, міцністю зв'язки плівки окисла з поверхнею основного металу. Для покрити на основі легованого заліза до навантаження 6 мПа основним процесом є механохімічне зношування. Механізм його полягає в безперервному утворі й руйнуванні на поверхнях тертя шарів твердих розчинів кисню в залозі й суміші різних типів хімічних сполук кисню з Fe, Cr, Mn при гнітючій наявності (за даним рентгенофазового аналізу) окисла Fe3O4 і Mn5O4. Збільшення інтенсивності зношування покриття при навантаженні 6 мПа зв'язане за даними рентгеноструктурного аналізу із гнітючим утвором у плівках вторинних структур окисла г-Fe2O3. При наступному росту навантаження до 7 мПа плівки окислів руйнуються більш інтенсивно (мал. 3.12). Коли навантаження росте до 8 мПа разом з утвором і руйнуванням плівок окислів, усе більш помніть значення в процесі зношування починає робити зв'язування. З наступним збільшенням навантаження, зв'язування розбудовується усе більш активно в результаті збільшення фактичної площі контакту трибоповерхні в результаті великого ступеня пластичної деформації мікро обсягів поверхневого шару. Можна відзначити, що інтенсивність зношування й сила тертя менше, якщо поверхневий шар окисла містить окисел Fe3O4 і Mn5O4, а не Fe2O3 і Mn2. Інтенсивність зношування гартівних сталей значно перевищує інтенсивність зношування детонаційно-газових покрить. Продукти зносу, які утворюються в цьому випадку, виявляють собою темно-бурий порошок окислів із гнітючою наявністю Fe2O3. На мал. 3.12 наведені залежності коефіцієнтів тертя від нормального навантаження. По даним мікроструктурного аналізу поверхонь тертя спостерігається зменшення коефіцієнта тертя, тому що він залежить від складу й властивостей плівок окислів і при росту навантаження створюються зона механохімічного зношування. Тобто виникає більш інтенсивний розвиток окисних процесів при збільшення навантаження й, відповідно, температури.
Рис. 3.4.10. Залежність коефіцієнтів тертя детонаційно-газових покриттів від навантаження: 1 - покриття на основі Fe; 2 - покриття із твердого сплаву ВК15; 3 - покриття на основі Nі.
При збільшенні навантаження підвищується ступінь не гомогенності деформації, збільшується розмір продуктів зносу, у процес притягаються глибинні поверхневі обсяги. Сили тертя, які обумовлені деформацією й руйнуванням, збільшуються повільніше чому нормальне навантаження. Певні значеннях навантаження (Pкр), як вказувалося, дуже сприяють, що ушкоджується, яка викликає стрімке збільшення сил і коефіцієнтів тертя. Таким чином, характер зміни коефіцієнтів тертя зі збільшенням контактного навантаження обумовлюється основними процесами, які відбуваються при терті й зношуванні. Аналіз результатів проведених випробувань дозволяє затверджувати, що детонаційно-газове покриття системи Fe-Мn мають високі антифрикційні характеристики, які не уступають покриття із твердого сплаву ВК15.
Застосування отриманих детонаційно-газових покрить як зносостійкі дозволяє розширити діапазон нормального зносу в результаті заборони процесів зв'язування за рахунок зниження рівня структурної активації, а також забезпечує мінімізацію параметрів тертя й зношування. Таким чином, детонаційні покриття з легованих композиційних порошків на основі заліза можуть бути використані у важливих важко навантажених вузлах тертя в місце покрити на основі дефіцитного нікелю або дорогого карбіду вольфраму. Триботехнічними характеристики композиційних покрити при підвищених температурах одним з важливим ознак, які характеризують постійний процес нормальної роботи вузла тертя, є сталість температури. Зміна температури, як відомо, впливає на інтенсивність процесів дифузії, швидкість хімічних реакцій і визначає протікання в поверхневих шарах матеріалу пластичної деформації, від якої, в остаточному підсумку, залежить ступінь процесу структурно-термічної активації. Таким чином, температура поверхонь тертя є важливим чинником, зміни якого приводять не тільки до зміни інтенсивності, але й виду зносу . Для експериментальних випробувань детонаційно-газові покриття на основі легованих порошків системи Fe-Мn, нікелю й твердого сплаву ВК15 напилювались, як це вже відзначалося, на кільцеві зразки. Розподіл теплових потоків, обумовлене градієнтом температур визначається не тільки теплофізичними характеристиками пар тертя, але й залежить від величини й площі, на якій вони генеруються. Отже, на умови тепловіддачі великий вплив робить коефіцієнт взаємного перекриття [9, 12]. Форма зразків і вживана схема тертя (торцева) забезпечували коефіцієнт перекриття, який рівняється одиниці. Це сприяло створенню найбільш важких умов тертя. Випробування здійснювали при постійному навантаженні 5 мПа й швидкості ковзання 0,5 м/с. Для дослідження впливу температури на швидкість процесів механохімічного зношування й зв'язування, які протікають у процесі тертя, було передбачене нагрівання зразків під час експерименту до температури 600°С. Нагрівали зразки за допомогою малогабаритного електричного нагрівача. Температуру біля поверхні тертя вимірювали за допомогою спеціальної термопари. Отримані функціональні залежності інтенсивності зношування й коефіцієнтів тертя від температури біля поверхні тертя зазначених покрити представлені на мал. 3.13 і 3.14.
Найменші значення інтенсивності зношування, як видне з випробувань, мають детонаційно-газові покриття з легованого заліза. Збільшення температури практично не погіршує характеристик тертя й зносу, тому що на поверхнях тертя відбувається інтенсивний утвір структур, які мають високими антифрикційними властивостями. Примусовий підігрів інтенсифікує процеси взаємодії поверхні тертя, яка активована пластичною деформацією, з киснем повітря й у результаті чого утворюються рівномірно розподілені по поверхні тертя плівки вторинних структур. Природа їх утвору залежить від умов тертя, матеріалу пари, наявність і складу середовища в зоні контакту.
При терті в нормальних атмосферних умовах на поверхні створюються тонкі плівки окислів . Згідно з даними, наведеними в роботах [18, 19], стабільність боридив і алюминида, який становить основу випробуваних детонаційних покрити, нижче, чим окислів. Продуктами окиснення боридив є окисли металу й борний ангідрид.
Рис. 3.4.11. Залежність інтенсивності зношування від температури:
1 - покриття на основі ніхрому;
2 - покриття твердого сплаву ВК15;
3 - покриття на основі Fe.
Рис. 3.4.12. Залежність коефіцієнта тертя від температури:
1 - покриття на основі ніхрому;
2 - покриття із твердого сплаву ВК15;
3 - покриття на основі Fe.
Фазовий аналіз структур окислів на поверхнях тертя, виконували на установці УРС-50И, але не вдалося однозначно виявити їхній хімічний склад. Це, на думку автора, обладнане незначною товщиною структур окислів. У низьких робіт [28, 28] виражається припущення, що при підвищених температурах критична товщина плівок окислів на поверхнях тертя становить приблизно 10 км, при меншій товщині шару окислів їх захисні властивості зникають. Аналізуючи дослідження, які проведені в роботах [18, 18-19] можна допустити, що плівка окислу на робочих поверхнях складається зі шпінелі Cr2O3 • B2O3 і окислів Cr2O3, Fe3O4 і Mn5O4. У цьому випадку окисли зв'язуються борним ангідридом в аморфну плівку, яка має високі зносостійкі властивості. Наявність B2O3, як підкреслювалося, обумовлене тим, що вищі бориди хрому при взаємодії з киснем навколишнього середовища розкладаються на окис хрому й борний ангідрид, що при підвищених температурах має малу в'язкість і дуже активно взаємодіє з іншими окислами. При наступному підвищенні температури відбувається зміна складу й типу захисних плівок окислів, які утворюються. Так, зниження інтенсивності зношування й коефіцієнта тертя, виникає з того, що на поверхнях тертя по даним хімічного й фазового аналізу збільшуються ділянки, які покриті суцільною плівкою Mn5O4. У деякі роботах [19-21] вказується на взаємозв'язок між механічними властивостями плівок окислів і матеріалом, на якому вони утворюються. Чим твердіше утворюються плівки окислів і м'якше метал поверхонь тертя, тем при меншому зусиллі вони руйнуються. Захисні властивості плівок окислів суттєво залежать від товщини й складу . Окисел Mn5O4 щодо цього має деякі переваги, а саме: більш малої в порівнянні з матеріалом покриття твердістю, стабільністю кристалічних ґрат і відсутністю структурних модифікацій, високою адгезією до основи . Наступне підвищення температури при випробуванні не впливає на вид зносу. Спостерігається стійкий процес нормального механохімічного зношування, якої характеризується відносно низькими значеннями зносу й коефіцієнта тертя, а вони залежать від роботи тертя й, для даного випадку, визначаються механічними властивостями плівок окислів, їх зв'язком з основним матеріалом і здатністю до диспергування. За стехіометричним складом плівки окислів, які утворюються в процесі тертя за даних умов, виявляють собою високотемпературну модифікацію дрібно дисперческої суміші окислів Cr2O3, Al2O3, Mn5O4 і шпінелі MnСr2O4 і FeMn2. Поверхня тертя після випробувань покрити з легованих ніхрому була практично дзеркальної й відповідала шорсткості Ra = 0,32. Макроструктура й мікроструктура робочої поверхні зразка, напиленого порошком системи Fe-Mn-Cr-Al-B, після випробувань при швидкості ковзання 0,6 м/с, навантаженню 1 мПа й температурі 600°С наведена на мал. 3.15 і 3.16. Фазовий аналіз виконаний шляхом рентгенографування на установці УРС-50И в Сі-випромінюванні показав, що за складом покриття після випробувань не відрізняються від початкових. Там у процесі дифузійного насичення в обсязі однієї частки відбувається селективна дія, яка обумовлена термодинамічними й дифузійними характеристиками, між складеними елементами порошкового матеріалу й елементами, які дифундують (бор і алюміній). Так, при дифузійному насиченні порошку заліза, хрому, марганцю разом бором і алюмінієм кожна частка виявляє собою конгломерат з алюмінідів і боридних фаз. Таким чином, зносостійкість детонаційно-газових покрить з легованого заліза системи Fe-Mn-Cr-Al-B при високих температурах обумовлена як характеристиками металевих фаз напиленого шару, так і властивостями плівок окислів, які утворюються й активно перешкоджають процесам контактного зв'язування, за рахунок виключення впливу тертя на основний матеріал покриття й, відповідно, визначають високі антифрикційні характеристики трибопари.