Гипотеза формирования структуры трения "Супротек"

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ООО «НПТК «СУПРОТЕК», Санкт-Петербург, Россия

Гипотеза формирования структуры трения "Супротек"

С.М. Зеленьков, к.т.н., Ю.Г. Лавров

Аннотация

Технологии производства и эффективного применения ГМТ известны с 90-х годов прошлого столетия. Однако, достоверной информации о протекающих процессах геомодификации поверхностей трения недостаточно. Целью настоящих исследований стала разработка рабочей гипотезы формирования новой структуры поверхности трения, приводящая к кардинальным изменения условий трибоконтакта по результатам разрушающего, неразрушающего исследования.

Ключевые слова: геомодификатор трения (ГМТ), структура слоев, частицы порошка, самоорганизация, каталитическое воздействие, кривая Аббота, явление «вытягивания» приповерхностных зерен, дефектность структуры.

Возможность использования ультрадисперсных порошков, полученных из природных минералов, стали предметом научного открытия авторов (Диплом № 323 «Свойство высокоэнергоплотных минеральных веществ изменять параметры триботехнических систем»).

В 80-е годы прошлого столетия случайным образом обнаружили эффект «безызносности» колесных пар шахтных вагонеток на месторождении никеля в Печенге. Ленинградские ученые исследовали этот явление и запатентовали, назвав его «эффект аномально низкого трения гидроксидов по стали».

Дальнейшие исследования явления «геомодификации поверхностей трения», показали, что уникальные эффекты многократного снижения интенсивности изнашивания и потерь на трение практически большинства узлов и механизмов связаны химическими, структурными и фазовыми свойствами используемых минералов, а также с гранулометрическим составом геомодификатора.

Согласно принятой на сегодня модели, для протекания процессов модификации поверхностей узлов трения необходимо иметь в достаточной мере абразивный состав, чтобы произвести первичную очистку поверхностей узлов трения от нагаров, отложений и окислов. А также, по возможности, для удаления высокодефектного слоя, сформировавшегося в процессе механической обработки при изготовлении детали (резание, точение, шлифовка), и в процессе эксплуатации, если она имела место, и в той или иной мере существующего на всем протяжении «жизни» узла.

В то же время, абразивное воздействие частиц порошка должно уменьшаться со временем приработки, чтобы не происходило износа подповерхностных слоев. Так и происходит на первом этапе приработки узлов: частицы минерала измельчаются рабочими и выносятся из зоны трения распределяясь по всему объему смазочного материала, либо покидая узел трения вместе с частью смазки.

С другой стороны, энергия разрушения уже измельченных частиц должна быть достаточна, чтобы вывести систему (узел трения) из равновесия и инициировать в ней процессы самоорганизации с переходом на более высокий уровень «организованности», а, следовательно, с меньшими скоростями изнашивания и потерями на трение. Точнее здесь следует говорить о потоках энергии - то есть энергии проходящей через единицу поверхности в единицу времени.

Поэтому очевидно, что при разработке и производстве ГМТ так важно отследить анизотропию прочностных свойств минерала (точнее подобрать минерал с заданной анизотропией), получить частицы с требуемой энергией разрушения, определяемой через энергоплоность, гранулометричечский состав и применяемую концентрацию ГМТ для данного узла трения.

Формированию новой структуры поверхностей трения, оптимальной с точки зрения триботехнических процессов, способствует уникальное совпадение целого ряда факторов.

1. При разрушении частицы минерала в локальной зоне физического контакта в зоне трения за малый промежуток времени выделяется большая энергия, в поверхностном слое детали возникает значительный градиент температуры и давления, что приводит к термодиффузии легирующих элементов в подповерхностные слои, переформированию зерен и субзерен сплава, изменению их ориентации, изменению присутствующих фаз сплава. Постепенно в подповерхностных слоях пары трения формируется низко дефектная структура сплава с определенным фазовым составом, отличным от стартового, и формируемого самой системой в результате действия потоков энтропии.

2. При разрушении частицы минерала в зоне трения происходит снятие тонкого слоя поверхностей контртел, что способствует ускоренному формированию на поверхностях тонких вторичных структур второго типа, в которых локализуется энергия сдвиговой деформации, приводящая к нагреву и разрушению детали трения.

3. В зоне разрушения частицы находятся химические соединения и элементы, входящие в состав минерала, такие как: SiO2, TiO2, Al2O3, Сr2O3, Fe2O3, FeO, MnO, CaO, MgO, K2O, Na2O, S, Ni, Co, Cu.

Все эти факторы при определенном энергетическом потоке, обусловленном твердостью и энергоплотностью минерала, и размером разрушаемой частицы, при определенном потоке свободных электронов, обусловленном степенью «чистоты» поверхности и локальным значением модуля упругой деформации, при определенном соотношении химических элементов в зоне трения, обеспечивающих каталитическое воздействие, способствуют протеканию процессов перестройки фаз, структуры и изменения химического состава как самих поверхностей трения, так и подповерхностных слоев.

Процессы эти сложные, протекают одновременно на всех масштабных уровнях - от атомного до макроуровня, протекают разветвленно и постепенно, в определенные моменты времени доминируют разные механизмы, и практически не поддаются непосредственному наблюдению.

Известен конечный результат протекания данных процессов:

1. Анализ микропрофиля рабочих поверхностей пар трения на основе регистрации расширенного набора параметров, статистически описанных кривой распределения Аббота-Файрстоуна, а именно таких параметров, как величины и площади распределения на единице поверхности зоны пиков Rpk, сердцевины профиля Rk и зоны впадин Rvk, величина маслоудерживающего объема Vo как отношение объема масла, находящегося во впадинах профиля, на расчетную единицу площади опорной поверхности, показывает, что работа узла трения в штатных условиях с добавлением в смазку ТС «Супротек» приводит к сглаживанию пиков, снижению величины и заглаживание сердцевины профиля, увеличению площади опорной поверхности. На новой модифицированной поверхности объема масла, находящегося во впадинах, достаточно для полного распределения по опорной поверхности, параметр Vo возрастает, режим работы смещается от граничного трения в сторону гидродинамического и эластогидродинамического.

2. Микротвердость поверхности трения после работы с ТС «СУПРОТЕК» возрастает на 15 - 20 %. Меняется картина (градиент) микротвердости по глубине. Изменяется наследственное (полученное в результате механической обработки и последующей эксплуатации, если она была) напряженно-деформированное состояние поверхностных и подповерхностных слоев.

3. Анализ приповерхностной области деталей трения после работы с ТС «СУПРОТЕК» методами «Просвечивающей и Сканирующей Электронной Микроскопии» показывает наличие протяжённых доменов толщиной порядка 50 нм, ориентация которых приближается к горизонтальной вблизи поверхности (Рис. 1.). Картины электронной дифракции показывают наличие фаз мартенсита и цементита в приповерхностной области (Рис. 2). При этом темнопольные изображения, полученные в дифракционных отражениях, соответствующих фазам мартенсита и цементита, показывают, что данные домены относятся к данным фазам поочерёдно. Данные домены приобретают вертикальную ориентацию при удалении от поверхности, простираясь на глубину 3 мкм и более. Такие изменения не могли произойти сами по себе. Это характерное явление «вытягивания» приповерхностных зерен и субзерен сплава под действием сдвиговых напряжений, возникающих на границах трущихся тел. Созданная таким образом ориентационная анизотропия - статичная форма вторичных структур трения - способствует быстрой прирабатываемости пары трения после остановки и при изменениях режимов работы, и выступает как новое сформированное свойство пары трения к приспособлению к широкому спектру условий работы (в заданном направлении движения).

геомодификация трение ультрадисперсный порошок

-

Рисунок 1 Изображение протяжённых доменов в приповерхностной области

Рисунок 2 Картина электронной дифракции от приповерхностной области показывает наличие доменов мартенсита и карбида железа. Темнопольные изображения, полученные в дифракционных отражениях, относящихся к мартенситу и цементиту соответственно.

4. Уменьшение дефектности структуры подповерхностных слоев (рис.3). Дефекты структуры, такие как межзеренные полости и др., являются концентраторами напряжений при упругопластических деформациях, циклически возникающих в процессе трения. Количество и величина дефектов определяют устойчивость детали к усталостному износу, при котором происходит отслаивание и выкрашивание частиц металла с поверхности в результате формирования и развития микротрещины в глубине металла. Низкодефеткная структура изнашивается значительно медленнее.

--

Рисунок 3 Без ТС «СУПРОТЕК»--ТС «СУПРОТЕК» Электронное изображение поверхностей трения

5. По данным рентгеноспектрального микроанализа основными элементами являются железо, кремний, хром и марганец. Заметного отличия элементного состава приповерхностной области деталей трения после работы с ТС «СУПРОТЕК» и без него не наблюдается (Рис. 4). Что свидетельствует об отсутствии керамических и металлокерамических слоев.

Рисунок 4 Спектр EDX от приповерхностной области. Без ТС «СУПРОТЕК». Спектр EDX от приповерхностной области. ТС «СУПРОТЕК»

6. Анализ профиля по данным прибора «MarSurf» показывает, что в результате обработки поверхности образца трения триботехническим составом «Супротек» произошло не просто снижение общей шероховатости Ra, а перераспределение параметров профиля поверхности пары трения - величина провоцирующих пиков Rpk уменьшилась в 7 раз, высота микронеровностей плато Rk уменьшилась более чем в 3раза, величина нижних рисок (маслохранилищ) Rk практически не изменилась (Рисунок 5). Произошло перераспределение параметров стратегического соотношения Rpk - Rk - Rvk, определяющего маслоудерживающий объем поверхности, по принципу - провоцирующие пики незначительны, плато умеренной шероховатости, нижние риски глубокие, мощные. Величина маслоудерживающего объема Vo увеличилась в полтора раза, форма кривой Аббота стала более плоской в части выступающих неровностей микропрофиля.

В результате этого изменения увеличилась опорная (несущая) площадь поверхности, что обеспечило уменьшение удельного давления на данную поверхность и увеличился маслоудерживающий объем, что обеспечило изменение режима трения в сторону более гидродинамического характера со снижением коэффициента трения.

Таким образом, воздействие геомодификатора трения «Супротек» привело инициированию протекания самоорганизующихся процессов и выразилось не только в изменении структуры поверхностных и подповерхностных слоев, но и в благоприятном изменении профиля поверхности.

Рисунок 5 Образцы испытаний на машине трения: вверху - базовая шлифованная поверхность, внизу поверхность образца, обработанного с применением состава Супротек

7. Снижение коэффициента трения за счет значительного увеличения несущей способности масляного слоя, обусловленного профилем и новой структурой, сформированного слоя наблюдается при добавлении ГМТ «Супротек» в масло ( после приработки на 30 тыс. циклов) при проведении испытаний на машине трения ИИ5018 (Рисунок 6). Вместе со снижением потерь на трения снижается и температура масла в камере (Рисунок 7).

Рисунок 6 Динамика коэффициента трения при работе на «чистом» масле и с добавлением ТС «Супротек»

Рисунок 7 Динамика температуры масла при работе на «чистом» масле и с добавлением ТС «Супротек»

Размещено на Allbest.ru