Скреч-метод визначення трибологічних властивостей поверхні

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н.,доцент Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

трибологічний поверхня скреч метод

Актуальність роботи. Надійність та довговічність машин пов'язана в значній мірі з опором пар тертя зношуванню.

На поліпшення службових властивостей, які визначають зносостійкість матеріалів, постійно спрямовані зусилля вчених, інженерів та технологів. Для оцінки ефективності розроблюваних технологій найбільш широко застосовують методи вимірювання твердості і модельні випробовування на зношування. Прямий метод експлуатаційної перевірки службових властивостей є трудомістким і матеріалоємним.

Визначення твердості методом вдавлювання дає характеристику локальних об'ємів поверхонь тертя і дуже чутливий до масштабного фактора.

Визначення твердості методом дряпання в даний час дає більш якісні характеристики, ніж кількісні. Використання методу в такому вигляді, як це робилось іншими дослідниками: М.М.Тенебаумом, В.К.Григоровичем, М.П.Марковцем та ін., має ряд недоліків. Тому розробка нових методів оцінки якості поверхонь і, тим самим, ефективності розроблюваних заходів підвищення зносостійкості матеріалів пар тертя є актуальним.

Мета та завдання досліджень: 1) розробити метод визначення механічних та трибологічних властивостей поверхні тертя при дряпанні, який усував би недоліки відомих підходів і застосовувався б для випробування тонких і твердих покриттів на пластичній основі; 2) дати теоретичне обгрунтування і приладне забезпечення методу; 3)показати практичну застосовуванність та переваги його в порівнянні з відомими підходами.

Робота виконувалась за планами НДР кафедри зносостійкості та надійності машин Технологічного університету Поділля (м.Хмельницький).

Наукова новизна. Розроблено новий метод дослідження механічних і трибологічних властивостей поверхні при дряпанні, що отримав назву скреч-метод. Основні компоненти наукового результату полягають у наступному:

1) кількісно описана контактна механіка вдавлювання та дряпання пірамідою поверхні з урахуванням покриття як теоретична основа скреч-методу; 2) для характеристики міцності поверхні тертя введено нову величину - границю міцності при контактному стиску ; 3) для характеристики неоднорідності структури матеріалу поверхні запропоновано використовувати коефіцієнт варіації границі міцності поверхні при дряпанні; 4) встановлено закономірності процесу в момент зсуву індентора при дряпанні; 5) встановлено кореляцію між структурною неоднорідністю матеріалу поверхні і змінами сил тертя при дряпанні; 6) отримані залежності для визначення границі міцності поверхні твердого покриття та основи при двократному вдавлюванні і дряпанні з різними навантаженнями; 7) введена характеристика границі міцності поверхні при контактному стиску якісно характеризує зносостійкість твердого покриття.

Практична цінність. На основі теоретичних досліджень розроблена оригінальна установка СМ-01 для випробування поверхні і покриттів скреч-методом. На цій установці виконані дослідження 16 різних матеріалів та покриттів з визначенням міцнісних і трибологічних параметрів поверхні.

Удосконалена технологія анодно-іскрового покриття у напрямку створення комбінованого двоступінчатого режиму і розробки електричної схеми для імпульсного формування покриттів, застосування динамічної, вібраційної активації електроліту в процесі формування.

Виконані дослідження анодних покриттів на деталях газових лічильників по заявках Агрегатного заводу (м. Красилів) і ВО "Новатор" (м. Хмельницький) з метою використання на їхніх виробництвах розробленої технології формування анодно-іскрових покриттів.

Впровадження. Скреч-метод використано в університеті при вивченні дисциплін трибологічного циклу спеціальності "Технологія та обладнання відновлення і підвищення зносостійкості деталей машин та конструкцій", а також в наукових дослідженнях для оцінки ефективності технології іонного азотування та технології ЯНГ при зміцненні інструментальних матеріалів (швидкоріжучі сталі, тверді сплави).

Особистий внесок здобувача. Основні результати даного дослідження отримані автором особисто. Постановка задач та обговорення результатів виконані спільно з науковим керівником і, частково, із співавторами публікацій.

Апробація роботи. Основні положення та окремі результати роботи доповідались на: обласній науково-технічній конференції "Применение композиционных материалов в узлах трения технологического оборудования" (Хмельницький, 1986г.); міжреспубліканській науково-технічній конференції "Якість та надійність вузлів тертя" (м. Хмельницький, 1992 р.); науково-технічній конференції країн СНД "Вимірювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництв" (м. Хмельницький, 1992 р.); науково-технічній конференції з нагоди презентації ТУП "Наукові основи сучасних прогресивних технологій" (м. Хмельницький, 1994 р.); міжнародній конференції "Зносостійкість та надійність машин" (м. Хмельницький, 1996р.)

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 4 наукових роботи.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури і додатків. Загальний об'єм роботи 143 сторінки машинописного тексту, який містить 30 рисунків, 13 таблиць та бібліографічний список з 77 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обгрунтованість актуальності теми, відомості про наукову новизну, практичну цінність та реалізацію результатів, коротку анотацію змісту дисертації.

2.1 При розв'язку задачі вдавлювання жорсткої квадратної піраміди без тертя в пластичне середовище прийнято допущення про рівномірний розподіл тисків по нормалях до граней. В результаті отримана формула для визначення цих тисків через навантаження і розмір - діагональвідбитку, яка збігається з формулою Мартеля та Майєра

, (1)

При вдавлюванні піраміди з урахуванням тертя по гранях (рис.1) отримано залежність навантаження від тиску , глибини вдавлювання , кута піраміди та коефіцієнта тертя

. (2)

. (3)

показує, що при зміні коефіцієнта тертя (наприклад, за рахунок змащення) від 0 до 1, розмір сторони відбитка і, як наслідок, виміряна твердість по Вікерсу () може розрізнятися на ~30%.

Залежність (3) отримана за умов рівноваги клина. При дії навантаження розвиваються пластичні деформації, клин переміщується і зупиняється при вичерпанні пластичності матеріалу. Умова пластичної деформації в контакті може бути записана у вигляді

,

де - границя міцності поверхні (або границя текучості матеріалу поблизу поверхні) при контактних навантаженнях стиску основного матеріалу

. (4)

Коефіцієнт залежить від розмірів відбитка і при=30 - 3000 мкм приймає значення =3,75 ... 6,86.

2.2 Розглянуто механіку дряпання поверхні чотиригранною пірамідою гранню вперед. Весь процес дряпання розділено на три стадії (рис.2): I - проникнення піраміди в поверхню при дії тільки нормального навантаження; II - початок дії дотичної сили, вихід однієї грані з контакту; III -під дією сили піраміда може сприйняти різні рухи: IIIа - з положення II почати горизонтальне переміщення; IIIb - піднятися угору до положення, при якому нормальні контактні тиски збільшаться; IIIс - дряпання з положення IIIb. Так як стадія III - це неперервний процес, то одночасно можуть відбуватись рухи по вертикалі та горизонталі.

. (5)

2.3 Одним з основних етапів в запропонованому скреч-методі визначення міцності поверхні при дряпанні є видалення сили тертя з загальної сили опору дряпанню. З цією метою виконуються повторні проходи піраміди по одному і тому ж треку. При першому проході опір рухові складається з сил опору деформуванню і сил тертя. При другому (або третьому) проході гранню вперед сила опору рухові виникає від сил тертя. Сила деформування і руйнування визначається як різниця

. (6)

. (7)

Контактні тиски на передню грань при дряпанні без впливу сил тертя по бокових гранях визначались з урахуванням вертикального навантаження :

. (8)

. (9)

3. В третьому розділі описані експериментальні методи дослідження поверхні скреч-методом та методика випробувань міцності дряпанням алмазною пірамідою. Теоретичною основою методу є механіка дряпання і співвідношення, отримані у розділі 2. Основним приладом методу є розроблений скречметр - установка для випробувань поверхні дряпанням. В скречметрі СМ-01 (рис.3) чотиригранна алмазна піраміда з двогранним кутом 1360 дряпає стандартний полірований мікрошліф. Вертикальне навантаження 0.03-30.002 Н передається через систему важелів 11 плавно через кулачок 15, що обертається спеціальним електродвигуном 14. Переміщення зразка прямолінійне, з постійною швидкістю 3.35 мм/хв. і автоматичним фіксуванням довжини треку. Сили дряпання, тертя і вертикальні переміщення вимірювались з допомогою системи тензобалка - підсилювач - самописець. Точність для сил складає 0.002 Н, для переміщень 1 мкм. Розміри треку вимірюються на мікроскопі при збільшенні х462

Результати дряпання записувались у вигляді осцилограм: скречеграм (перший прохід) та трибограм (другий, третій проходи) (рис.4). Обробка осцилограм виконувалась методами математичної статистики з визначенням середнього значення, дисперсії і коефіцієнта варіації.

Досліджено дев`ять поверхонь різних матеріалів: 1 - армко-залізо; 2 - сталь 45; 3 - сталь ШХ15, гартування і низький відпуск; 4 - сталь ШХ - 15, азотована за режимом А; 5 - сталь ШХ 15, азотована за режимом Б; 6 - сірий чавун СЧ20; 7 - дуралюмін Д16Т; 8 - латунь Л70; 9 - твердий сплав ВК15.

4. У четвертому розділі викладені результати дослідження поверхонь вказаних матеріалів скреч-методом (таблиця 1).

4.1 Експериментально встановлені закономірності початкового руху піраміди при дряпанні в момент зрушування. Підйом піраміди в початковий момент йде, як правило, при малих вертикальних навантаженнях для пластичних матеріалів і практично при усіх навантаженнях для твердих матеріалів. Виявлений ефект пояснюється різним ступенем зміцнення матеріалу під гранню при початковому зсуві піраміди: якщо зміцнення поверхні в початковий момент зсуву перевищує 15%, відбувається не зсув з дряпанням, а зсув по похилій площині і "спливання" піраміди. При цьому контакті тиски збільшуються і наступає момент дряпання; якщо зміцнення рівне 15%, здійснюється переміщення піраміди при дряпанні по горизонталі і, якщо зміцнення менше 15%, піраміда опускається збільшення тисків, а потім переходить в режим дряпання.

4.2 Порівняльний аналіз і зіставлення скречеграм та фотографій мікроструктур для деяких металів і сплавів (армко-залізо, бабіт Б83) показали, що коливання сил дряпання і тертя збігаються по координаті з неоднорідністю структур (різні фази, кристалографічна орієнтація зерен, границі зерен). Таким чином, скречеграми містять інформацію про структуру матеріалу поверхні і дають можливість зробити висновок про ступінь неоднорідності будови матеріалу. Мірою неоднорідності структури приймається коефіцієнт варіації границі міцності поверхні та сил дряпання.

4.4 Для усіх досліджених матеріалів визначені коефіцієнти тертя по алмазу. Максимальне значення= 0.336 отримано для сірого чавуну СЧ20, мінімальне -= 0.145 - для сталі ШХ15, азотування, режим А. Залежність коефіцієнта тертя від навантаження може бути зростаючою (дуралюмін Д16Т), спадаючою (сталь 45) та стабільною (сталь ШХ15, сірий чавун СЧ20).

Коефіцієнт опору дряпанню, визначений теоретично і експериментально, вищий коефіцієнту тертя в середньому на 30%.

4.5 Отримані параметри степеневої залежності глибини проникнення індентору при дряпанні в залежності від нормального навантаження. Середнє значення показника ступеня залежності для усіх матеріалів при практичних розрахунках можна приймати 0.5. Ці результати можуть бути використані при моделюванні та розрахунках абразивного зношування

5. У п'ятому розділі обгрунтовано застосування скреч-методу для оцінки якості поверхні анодно-іскрових покриттів.

5.1 Об'єктом досліджень є анодно-іскрові покриття (АІП), сформовані на алюмінієвих сплавах. Принципова відмінність технології АІП від технології звичайних гальванічних покриттів полягає в електричному режимі та складі електролітів. У цій технології робочі напруги знаходяться в межах 120 - 300 В, що створює форсований режим з іскрінням в області анода (деталі). Технологія АІП відома та в деякій мірі досліджена. В даній роботі виконані дослідження по вдосконаленню режимів технологій АІП з метою поліпшення трибологічних властивостей створюваного покриття. Вдосконалення технології АІП виконано у наступних напрямках:

1. Розроблені комбіновані режими формування покриттів. На початковій стадії покриття формується у гальваностатичному режимі, створюючи захисну бар'єрну плівку. На другому, основному етапі, процес проходить у потенціостатичному режимі з активним іскрінням. Комбінований режим забезпечує формування більш якісного покриття.

2. Розроблена оригінальна електрична схема установки АІП, яка дозволяє формувати комбіновані покриття в імпульсному знакозмінному електричному режимі.

3.Вдосконалена система активації електроліту за рахунок застосування струменевого перемішування та механічних коливань анода. Основним матеріалом, на якому було проведено відпрацювання технології та її оцінка скреч - методом, був дуралюмін Д16Т.

5.2 При визначенні міцності тонких покриттів скреч-методом можливе їх прорізування індентором. У цьому випадку співвідношення, отримані у другому розділі, непридатні. В зв'язку з цим розроблено механіку вдавлювання та дряпання неоднорідного покриття з прорізуванням.

Розглянута механіка вдавлювання жорсткої піраміди в поверхню з тонким покриттям з урахуванням його прорізування (рис.5).

З умови рівноваги отримано одне рівняння, що містить два невідомих параметри. Систему двох рівнянь отримуємо, використовуючи навантажування при двох різних вантажах і . В результаті отримано залежності

, (11) , (12)

,

де -границя міцності при вдавлюванні для основи; - те ж для покриття; , - розміри треку основи і покриття відповідно. За величиною і збігаються з твердістю по Вікерсу. Аналогічні залежності отримано з урахуванням тертя граней по покриттю та основі.

Розглянута механіка дряпання тонкого покриття пірамідою гранню вперед з урахуванням його прорізування. Одне рівняння задачі з двома невідомими і отримано з умов рівноваги. При практичному використанні рівняння у даному випадку допускали, що міцність основи може бути отримана з дослідів з поверхнею без покриття. Тоді міцність покриття визначається з виразу:

. (13)

У другому випадку для отримання залежності використовувались два досліди з різними навантаженнями. Так як силам першого і другого проходів відповідають різні розміри треків, то для уточнення параметрів міцності була запропонована більш точна залежність

, (14)

де індекси відносяться до першого та другого проходів.

Отримані також залежності для оцінки параметрів розсіювання при заданих параметрах випадкових величин і . За фізичним змістом та величиною =.

5.3 Експериментальні дослідження міцності покриттів виконувались на установці СМ-01 згідно методики, описаної у третьому розділі. Випробовувались АІП дуралюміну Д16Т з метою вибору оптимального режиму технології їх формування. Дані випробувань та характеристики покриттів при трьох різних режимах А,В,С наведені у таблиці 1. Головні результати досліджених АІП зводяться до наступного:

1. Скреч-метод дозволяє отримувати обгрунтовані кількісні характеристики покриттів. Наприклад, встановлено, що технологічний режим В формує покриття з міцністю =3249,1 МПа, що в 1.5 рази міцніше покриття, отриманого за режимом А. Таким чином, скреч-метод дає дані для оптимізації режимів за критерієм міцності покриття.

Дослідження зносостійкості (рис.6) сформованих покриттів показали її добру кореляцію з границею міцності при контактному . Максимальному півню міцності =3249,1 МПа відповідає і найвища зносостійкість =241,5 год/г.

2. Корисним є також другий критерій - коефіцієнт варіації сил дряпання або тертя, як величина, що пов'язана з міцністю поверхні.

3. Скреч-метод дозволяє визначити як коефіцієнт опору дряпанню, так і коефіцієнт тертя алмазу по покриттю.

За допомогою скреч-методу були виконані дослідження міцності покриттів деталей газового лічильника РЛ4 (ротора та шестерні), виготовлених з сплавів АД31 та В95Т з оксидними покриттями, сформованими за стандартною технологією, що застосовується на ВО "Новатор" (м. Хмельницький).

основні результати та висновки

3. Кузьменко А.Г., Волынский Б.С. Скрэч-метод определения механических свойств поверхности. Часть III. Поверхность с тонким твердым покрытием // Проблемы трибологии. - 1998. - №1. - С. 53 - 82.

4. Волынский Б.С. Экспериментальная установка для исследования изнашивания и электрических свойств контактов. //Тез. докл. областн. науч. - техн. конф. “Применение композиционных материалов в узлах трения технологического оборудования”. Хмельницкий, 9 10 октября 1986 г. С 24 25.