Модель протекания процессов изнашивания и восстановления рабочей поверхности канала ствола при трибохимическом взаимодействии

Модель протекания процессов изнашивания и восстановления рабочей поверхности канала ствола при трибохимическом взаимодействии

С.Ю.Лопаткин*, адъюнкт;

Р.Ю.Лопаткин**, канд. физ.-мат. наук

* Военный институт ракетных войск и артиллерии СумГУ

** Сумский государственный университет

Репарация трибосистем относится к области машиностроения, в частности к испытанию материалов при трении и изнашивании, технической эксплуатации и обслуживанию, восстановлению и ремонту техники [1].

В соответствии с анализом, проведённым в работе [2, 3], с целью недопущения уменьшения начальной скорости и увеличения рассеивания снарядов по дальности и направлению необходимо свести до минимума износ внутренней поверхности канала ствола. Для этого разработаны различные и, как правило, сложные системы технических обслуживаний, определяющих выполнение в большинстве случаев достаточно объемных регламентных работ. Эти работы сводятся в основном к выполнению различного рода профилактических мероприятий. Теоретической же основой восстановления внутренней поверхности канала ствола является учение о трении, износе и старении [4, 5].

Как неоднократно отмечалось, стволы артиллерийских систем совместно с ведущими частями снаряда и пороховыми газами в виде смазки являются яркими представителями трибосистем, работающих в тяжело нагруженных условиях. Износ ствола зачастую приводит к преждевременному выходу из строя всего орудия в целом, а его ремонт, замена и производство требуют достаточно больших материальных и временных затрат. В связи с этим в артиллерийской инженерии и по сей день остается актуальной задача разработки ствольных систем, относительно дешевых в производстве и износостойких в процессе эксплуатации.

Процессы, протекающие на поверхности канала артиллерийского ствола, являются сложными и многогранными. Без учета данных процессов невозможно приблизить износостойкость артиллерийского ствола к значению, необходимому для решения поставленных перед артиллерией задач. Поэтому в данной работе авторы предлагают модель протекания процессов трения и изнашивания взаимодействующих поверхностей металлов, что позволит определить наиболее эффективный метод повышения живучести стволов артиллерийского вооружения.

Предположим, что процессы разрушения/восстановления внутренней поверхности канала ствола протекают путем отрыва/прикрепления структурного элемента материала - кристаллита. Также предположим, что кристаллит представляет собой куб объёмом , где - длина грани куба.

Опишем математически вышеизложенные процессы и установим характер некоторых зависимостей, например, интенсивности осаждения от плотности тока, электросопротивления контакта от коэффициента трения, скорости осаждения от коэффициента трения.

Коэффициент трения. Характер зависимости интенсивности уменьшения толщины слоя металла ствола при трении

Для разрушения поверхности трения необходимо разорвать энергетические связи между атомами соседних кристаллитов. Количество кристаллитов на поверхности трения образца будет равно , где - площадь поверхности трения образца; - период решётки кристаллита; - площадь грани ячейки кристаллита; - количество атомов, приходящихся на одно ребро кристаллита.

Количество нарушенных при трении межатомных связей

, (1)

где - количество граней, по которым происходит отрыв кристаллита; (=1,2,… - количество оторвавшихся кристаллитов по глубине); - количество атомов на гранях кристаллита.

Тогда энергия, которая необходима для отрыва кристаллитов, будет равна

, (2)

где - энергия связи атома железа в кристаллите.

Толщина слоя, изнашиваемого при трении:

, (3)

откуда

, (4)

. (5)

Если работа сил трения

, (6)

где - коэффициент трения; - давление на образец; - скорость трения; - время трения соизмерима с энергией, которая необходима для отрыва кристаллитов, тогда

, (7)

так как , то в дальнейших расчётах единицу не учитываем. Поэтому

, (8)

где - интенсивность изменения толщины слоя вследствие изнашивания при трении.

Как и следовало ожидать, с увеличением коэффициента трения, давления на образец, скорости трения и с уменьшением энергии связи атома в кристаллите интенсивность изнашивания поверхности при трении возрастает.

Анализ процессов, протекающих в поверхностном слое материалов изделий при их изготовлении и эксплуатации, необходимо проводить практически на всех стадиях технологических разработок [6].

Процессы, которые постоянно происходят в различных специальных устройствах для механической обработки материалов, приводят к развитию высоких температур в окрестностях зоны деформаций. Повышение температуры может в корне менять поведение материала, приводя к возникновению элементарных физических процессов, не имеющих места при обычной температуре, и вызывая химические реакции. При пластической деформации металлов доля энергии, рассеиваемая в виде тепла, может достигать 95% энергии деформации [6]. Предпринимались многочисленные попытки рассчитать или экспериментально измерить эффекты, обусловленные возрастанием температуры [7].

Как известно [6], предельную упругую деформацию можно рассматривать как деформацию сдвига, которая характеризуется скалывающим напряжением. Если в кристалле с идеальной, бездефектной решеткой скалывающее напряжение , при котором решетка становится неустойчивой, порядка 1/6 модуля сдвига , то в реальном материале наличие разного рода дефектов приводит к резкому падению . Экспериментальными данными подтверждается [6], что это уменьшение , благодаря зарождению и распространению дислокаций и дисклинаций, развитию микротрещин, перемещению точечных дефектов и т.д., может достигать двух-трех порядков. Поэтому внешние напряжения приводят в основном к пластическим деформациям. Рассматривая пластические деформации как одну из стадий разрушения, упругими деформациями при трении можно пренебречь.

В данной работе предлагается методика, которая позволяет внести некоторую ясность в этот вопрос, а именно, экспериментально определить, какая часть энергии, возникающей при обработке металла, расходуется на разрушение поверхностного слоя изделия.

Используя результат, полученный в (7), из предположения, что часть энергии, возникающей при работе сил трения, идёт на разрушение поверхности металла, можно получить выражение

, (9)

где - доля работы сил трения, которая идёт на собственно разрушение поверхностного слоя металла.

Из выражения (9) получаем

. (10)

Согласно [8] для восстановления изношенной поверхности необходимо столько же энергии, сколько было потрачено её при износе этой поверхности. Поэтому величина доли работы сил трения, которая идет собственно на разрушение поверхности металла (10), позволяет определить количество энергии, необходимой для восстановления изношенной поверхности.

Зависимость интенсивности осаждения металла на сталь ствола от плотности тока

В цепи с двумя поверхностями трения и жидкостью между ними возникает электрический ток, причём во взаимодействующих металлах этот ток имеет электронную природу, а в жидкости ионную [9]. Эта жидкость не является электролитом в узком смысле слова, поскольку ионы в ней возникают не вследствие электролитической диссоциации, а в результате отрыва от анода, каковым является в нашем случае алюминиевая вставка.

Валентность этих ионов будет положительной и меньше основной валентности алюминия, а именно равна единице, что можно объяснить следующим образом.

В образовании межатомной связи участвуют 3 электрона (sp²-гибридизация). В трибопроцессах с участием электрического поля, учитывая существенное отличие второго и третьего потенциалов ионизации атома алюминия от первого (5,986; 18,829; 28,448 В соответственно [9]), будут образовываться положительно однократно заряженные ионы, которые и будут осуществлять массоперенос между поверхностями трения. Этот ток будет равен электронному току на остальных участках цепи.

Согласно закону Фарадея [9] масса , привнесённая ионами, определяется выражением

, (11)

где - молярная масса; - валентность; - электрический заряд, прошедший через электролит; - число Фарадея.

С другой стороны, из определения плотности вещества [9]

, (12)

где - толщина наращиваемого при триборепарации слоя; - площадь; - плотность вещества.

Тогда

, (13)

где - время репарации. Отсюда интенсивность восстановления слоя при 100% осаждении ионов на образце

(14)

(так как плотность тока , а ). То есть должна наблюдаться линейная зависимость интенсивности осаждения слоя от плотности тока (рис. 1).

Зависимость коэффициента трения от плотности ионного тока. Адсорбция и диффузия на металле ствола

В процессе изготовления и эксплуатации ствола на его рабочей поверхности возникают неровности в слое металла, изменяются структура, фазовый и химический состав, возникают остаточные напряжения. Это влияет на физико-химические и эксплуатационные свойства его поверхности трения.

Реальная поверхность канала ствола несовершенна. Шероховатость поверхности может изменяться вследствие различия сил адгезии и условий трения на поверхности контакта. Различное адгезионное взаимодействие материалов влияет на коэффициент трения [6].

В процессе взаимодействия трущихся и контактирующих поверхностей, в результате истирания, смятия и окисления деталей трения изменяется шероховатость поверхностного слоя. Наибольшим изменениям шероховатость поверхности подвергается в начальной стадии эксплуатации ствола - при первых выстрелах. В этот период (период приработки) происходит интенсивное изнашивание поверхностей трения: исходные неровности пластически деформируются, разрушаются и образуют новые оптимальные неровности, ориентированные по направлению относительного движения трущихся поверхностей 6. Это ведёт к улучшению качества поверхности, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента трения.

Когда поверхности металлов очищают восстановлением водородом или нагреванием в высоком вакууме, они приобретают способность к прочной адгезии, что обеспечивает в некоторых случаях при прямом контакте металлов соединение типа сварки плавлением. Коэффициент трения между свежими поверхностями металлов очень велик и может превышать 50 7.

Прочность таких адгезионных связей зависит от природы контактирующих металлов. Контакт свежих поверхностей приводит к прочной трибоадгезии, если металлы взаимно растворимы и образуют сплавы. Если же металлы не смешиваются или могут образовывать лишь отдельные специфические соединения, то способность материалов свариваться друг с другом при тесном контакте проявляется в меньшей степени. Прочность адгезионных связей зависит в большой мере от положения металлов в периодической системе элементов и, следовательно, от их химической природы.

Одновременно с трибоадгезией в механически возбуждённой контактной зоне происходит трибодиффузия. Этот вид массопереноса приводит к включению примесных атомов или молекул и тем самым к изменению химического состава кристаллической фазы, а в некоторых случаях - и к образованию новых кристаллов [7].

Транспортные процессы в твёрдой фазе составляют важный кинетический аспект твёрдофазных реакций. Ввиду особенностей подвижности компонентов решётки тепловое движение влияет на эти процессы только в области температур порядка двух третей абсолютной температуры плавления (температура Таммана), когда речь идёт о твёрдых металлах, однако дефекты структуры (дислокации, вакансии) начинают двигаться в процессе деформации уже при комнатной температуре. Эти дефекты могут существенно влиять на транспортные процессы в твёрдой фазе. Исследование механически активированных транспортных процессов в твёрдых металлах при комнатной температуре имеет большое значение для понимания особенностей гетерогенных реакций, при осаждении и растворении (коррозии) металлов, а также в процессах трения, износа.

Нарушения структуры лишь частично обусловлены механическим воздействием. Они находятся в движении, так же как дислокации, границы зёрен и т.д., которые уже исходно присутствовали в материале 7.

По данным многих авторов 6, 7 и др., движущиеся дефекты существенно ускоряют диффузию. Для совершения элементарного акта перехода частице приходится преодолевать энергетический барьер Е (энергия активации). Например, при диффузии в твёрдом теле диффундирующий атом при переходе из одного положения равновесия в другое проходит через энергетически невыгодное состояние, в котором он сжат окружающими атомами. Поэтому в соответствии с законом Больцмана [10]

, (15)

где - универсальная газовая постоянная; - абсолютная температура.

При движении границ зёрен, в частности, было обнаружено стократное возрастание предэкспоненциального коэффициента [7].

Изменения реакционной способности твёрдых электродов за счёт накопления дефектов решётки занимают особенно важное место в ряду изученных процессов, поскольку они решающим образом влияют на поведение металлов в активных средах, что весьма существенно для практических приложений.

Особенность многих твёрдых электродов состоит в том, что они склонны образовывать реакционные слои. В таких системах часто не удаётся отчётливо выявить трибоэнергетические процессы из-за изменений кинетики образования свежих поверхностей [7].

Если очищенные поверхности привести в соприкосновение друг с другом не в высоком вакууме, а под давление около 100 Па в атмосфере инертного газа, то при слабом трении и небольших ударных напряжениях сваривание поверхностей предотвращается за счёт физической адсорбции и трибоабсорбции газа внутри пограничной фазы. Такая обработка всё же приводит к микросварке и непрерывному массопереносу через границу раздела.

Чтобы эффективно подавить сваривание трущихся поверхностей металлов, на них следует образовать адгезионные плёнки, которые не обладают заметной способностью к холодной сварке. На металлах эта задача осуществляется путём образования реакционных слоёв, чаще всего - оксидных плёнок. Поэтому так велико влияние окружающей атмосферы на трение и износ. Например, при замене атмосферы инертного газа на воздух износ трущихся друг о друга стальных образцов резко уменьшился; его можно ещё в 180 раз замедлить при переходе от воздушной атмосферы к чистому кислороду. Поскольку оксидные плёнки обладают высокой твёрдостью, они сравнительно хорошо защищают слой металла, находящийся под ними, и существенно ослабляют адгезионное взаимодействие. Кроме того, оксиды образуют барьер для освобождения дислокаций на трущейся поверхности. Степень защиты, обеспечиваемой оксидными плёнками, в процессах сухого трения зависит от шероховатости поверхности, толщины оксидного слоя и особенно от относительной твёрдости оксида и металла 7.

Таким образом, исходя из вышесказанного (14), при существенном увеличении плотности тока между парой трения (электродами), связанным с этим увеличением интенсивности репарации и увеличением толщины нанесённого слоя следует ожидать роста адгезионного взаимодействия и диффузии, что может привести к возрастанию значения коэффициента трения (рис. 2). Для малых плотностей тока (рис.2 участок I) наравне с истиранием происходят процессы восстановления оксидов и нанесения новой поверхности, что ведёт к повышению качества поверхности и снижению коэффициента трения.

При больших плотностях тока процессы восстановления поверхности по скорости протекания на много превосходят её истирание, вследствие чего осаждение металла на поверхность происходит беспорядочно, снижается качество поверхности. Такие преобразования будут вызывать эффекты схватывания, сваривания. В результате чего коэффициент трения резко возрастёт (рис.2 участок II).

Электросопротивление контакта. Трибологические процессы приводят к существенным структурным изменениям поверхности трущихся тел, что само собой может влиять на изменение механических характеристик. С увеличением коэффициента трения, при постоянной нормальной нагрузке, возрастёт сила трения. В результате роста силы трения соответственно увеличится работа силы трения, идущей на активизацию процессов восстановления и разрушения поверхности. Это приведёт к тому, что оксидные плёнки на поверхности контакта будут или истираться под действием трения, или восстанавливаться от полупроводника к проводнику, активизируясь силами трения под действием направленного электростатического поля. В результате этого в системе "подложка-слой поверхности-контакт" будет, безусловно, наблюдаться падение сопротивления, что приведёт к формальной зависимости сопротивления от коэффициента трения. Опишем вышесказанное математически.

Предположим, что восстановление металла активизируется силами трения [10]

, (16)

где - давление на поверхность трения.

Количество восстановленных атомов металла

, (17)

где - энергия, полученная в результате работы силы трения; - энергия активации.

В работе [9] утверждается, что энергия, необходимая для процесса восстановления (энергия активации) атома железа, Е=Дж.

Плотность тока [10]

, (18)

где - заряд электрона; - концентрация электронов (атомов металла);  - дрейфовая скорость электронов;  - коэффициент пропорциональности.

, (19)

где - объём с восстановленными атомами металла.

Тогда плотность тока равна

(20)

при соответствующем сопротивлении

, (21)

где .

Зависимость интенсивности электрохимического осаждения металла на сталь ствола от коэффициента трения

На основании (14) и (20) получаем (рис. 3), что

. (22)

Исходя из предложенной модели процессов, при росте , как было показано выше, падает сопротивление в цепи, а следовательно возрастает ток, что приводит к увеличению интенсивности осаждения. В случае схватывания и дальнейшем росте коэффициента трения процессы трудно контролируемы, но, по-видимому, следует ожидать резкого уменьшения интенсивности осаждения

Представленная модель протекания процессов изнашивания и восстановления поверхности трения металла позволяет разработать механизм формирования защитного износостойкого покрытия на внутренней поверхности канала артиллерийского ствола трибохимическим методом. Новизной этой модели является новый подход к оценке процесса взаимодействия поверхностей при трении, который заключается в предположении о износе/восстановлении металла поверхности трения кристаллитами в виде куба. Данная модель основана на классических законах физики и позволяет достаточно адекватно учесть все процессы, протекающие при изнашивании и восстановлении на материале ствола. Для подтверждения сделанных в модели предположений и определения численных значений выходных величин был проведен эксперимент, который качественно подтвердил зависимости, полученные теоретическим путем.

Summary

This work is devoted to theoretical description of the process of endurance and deoxidation of the surfaces of interacted metals. Awareness of these processes allows us to develop the method of increase of sliding strength of artillery trunks.

Список литературы

1. Савченко Н.З., Кравец И.А., Звенигородский В.П. Пути повышения долговечности машин //Техника в сельском хозяйстве.- 1973.- № 12.- С. 18 - 22.

2. Орлов Б.В., Ларман Э.К., Маликов В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. М.: Машиностроение, 1976. 432 с.

3. Проектирование ракетных и ствольных систем / Под. ред. Б.В. Орлова. М.: Машиностроение, 1974. 827 с.

4. Богомолов Ю.И., Кравец И.А. Способ повышения износостойкости пар трения. Информационное письмо к экспонату на ВДНХ СССР. Киев: УСХА, 1982. - 3 с.

5. Способ получения износостойкого покрытия на поверхности трения: А.с.1102336. СССР. Т. Не подлежит опубликованию в открытой печати / И.А. Кравец, Ю.Н. Богомолов, Л.М. Роев, Ю.В. Танчук, Ю.П. Майфес, И.И. Кривенко. 1984.- 5 с.

6. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

7. Хайнеке Г. Трибохимия: Пер. с. англ. - М.: Мир, 1987.- 584 с., ил.

8. Пат. №2111477 РФ на изобретение “Способ возрождения машин” / И.А Кравец . и др., 1993.

9. Некрасов Б.В. Основы общей химии: В 3 т.М.: Химия, 1970. Т.3. 416 с.

10. Физический энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия, 1960.- Т.1. -664 с.