126161 (Триботехнічні властивості: зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів)

Триботехнічні властивості: зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів

Мета і завдання дослідження

У представленій роботі досліджені триботехнічні характеристики легованих детонаційних покриттів систем Fe-Мn, які не містять дефіцитні й дорогі компоненти, випробуваних у парах тертя зі сталлю, бронзою при відсутності мастильних матеріалів і в умовах граничного змащення, залежно від впливу зовнішніх дій, які становлять собою зміна в широкому діапазоні швидкості, навантаження й температури. Для реалізації цієї мети були поставлені й розв'язку такі завдання дослідження: проаналізовані сучасні методі поверхневого зміцнення й поновлення зношених деталей авіаційної техніки на авіаремонту.

Актуальність дослідження

Розвиток техніки, підтримки експлуатаційних властивостей машин, механізмів і встаткування промислового комплексу вимагає постійного підвищення надійності, довговічності й здатності до ремонту, на рівень яких значно впливають процеси тертя й зношування. Широкий діапазон швидкостей, температур, навантажень (зокрема знакозмінних), умов експлуатації акцентує увагу на постійному поліпшенні характеристик матеріалів, розширення їх ресурсної бази. Перехід щодо умов тертя від об'ємних до поверхневих властивостей матеріалів, створення їх конструктивно-почуттєвими, реалізація принципу анізотропії й універсального явища структурної пристосованості можливо застосуванням композиційних порошкових покриттів.

Вступ

Світова тенденція прямує до постійного розвитку технологій, які використовують порошкові матеріали. З іншої сторони серед переліку проблем машинобудівного комплексу України, важливим є підвищення надійності й довговічності деталей машин, які працюють в умовах тертя. При цьому, одним з напрямків її розв'язку, з урахуванням тенденції переходу від об'ємно-структурного зміцнення до поверхневого, є використання захисних зносостійких покриттів, зокрема детонаційно-газових. Детонаційно-газовий метод дає можливість одержувати високоякісні, практично ,безпористі покриття з високим рівнем адгезійної міцності до матеріалу основи. Застосування детонаційно-газових покриттів дає можливість впливати на поверхневі властивості деталей таким чином, щоб щонайкраще задовольнити умовам експлуатації. Це, у свою чергу, дозволяє не тільки створювати робочі покриття, але і якісно їх ремонтувати. Детонаційно-газові захисні покриття мають перевага в умовах підвищених навантажень і температур, інтенсивного зносу й агресивних середовищ.

Актуальність . Аналіз робіт присвячених дослідженням триботехнічних властивостей детонаційно-газових покриттів, показав, що найбільше промислове застосування для захисту вузлів тертя від зносу одержали покриття на основі карбіду вольфраму й нікелю, які мають дефіцитні складові, а також компоненти з високої собі вартістю. До того ж впровадження детонаційно-газових покриттів для підвищення зносостійкості деталей машин ускладнене в наслідок відсутності відомостей про закономірності процесів їх зношування, а також границях раціонального техніко-економічного застосування. При загальній позитивній оцінці ефективності й ціліше згідності використання детонаційно-газових покриттів для захисту вузлів тертя від зносу, їх застосування стримується завдяки обмеженої номенклатури порошкових матеріалів, яка проводиться промисловістю України. Таким чином, для застосування детонаційно-газових покриттів при зміцненні й поновленні зношених деталей машин, необхідне проведення дослідницьких робіт з метою збільшення асортиментів порошкових матеріалів, які не містять дефіцитних складових і компонентів з високою собівартістю.

Композиційні покриття на основі порошкових матеріалів мають багато переваг, а саме: можливістю регуляції антифрикційних характеристик за рахунок внесення різного роду доповнень, одержання композитів з попередньо заданими у відповідних напрямках властивостями, значної економії металів. Розробка й створення композиційних металевих порошкових матеріалів для формування покриттів, які мають високі триботехнічні властивості, є складна самостійна наукова проблема. Успішний розв'язок її можливе тільки з одночасним вивченням закономірностей процесів тертя й зношування відзначених покриттів. У зв'язку із цим, у кожному конкретному випадку розробки й застосуванню технології детонаційно-газового поверхневого напилювання покриттів повинне передувати проведення всебічних досліджень їх триботехнічих характеристик. Останні ж, як відомо, суттєво залежать від технологічних параметрів процесу, а також властивостей і якості початкового порошкового матеріалу. Застосування відзначених зносостійких покриттів дозволить значно побільшати термін служби вузлів і машин у цілому, зменшити не робочий час машинного парку і технологічного встаткування й, як наслідок, забезпечить значну економію матеріальних ресурсів.

Мета дослідження. Теоретичне узагальнення й розвиток методології створення детонаційно-газових зносостійких покриттів з легованих порошкових матеріалів на основі бездефіцитних компонентів з низькою собівартістю.

Об'єкт дослідження. Детонаційно-газові зносостійкі покриття системи Fe-Мn.

Предмет дослідження. Закономірності формування й зношування поверхневих структур детонаційно-газових покриттів системи Fe-Мn.

Методи дослідження. Теоретичну й методичну основу дослідження становили методи теорії математичної статистики й системного аналізу, сучасного фізико-хімічного аналізу й синтезу покриттів, а також структурно-фазового складу їх поверхневого шару.

Розділ 1. Сучасний стан проблеми й завдання дослідження

Уявлення про сутність трибо логічних процесів у різному обсязі й хронологічної послідовності розглядалися в багатьох дослідженнях. Тому більш доцільно зупинитися на тих концепціях і висновках, які одержали найбільше поширення й вплив у сучасних теоретичних і практичних досягненнях трибології й безпосередньо пов'язані із предметом дослідження.

1.1 Аналіз сучасних поглядів і досліджень із підвищення зносостійкості твердих тіл

Зниження зношування деталей рухливих сполучень є однієї з головних завдань у сучасному машинобудуванні. Так щорічні витрати на ремонт становлять

20-25% вартості машин, а 5 % обсягу їх промислового випуску йде на заміну зношеної продукції. Основна частина деталей виходить із ладу не через втрату міцності й об'ємного зменшення, а внаслідок зношування. Крім того, зношування найчастіше є першопричиною поломки деталей, оскільки сприяє насиченню поверхневого шару дефектами й зниженню міцності. Є ряд областей техніки, у яких невирішені проблеми зношування гальмують розвиток виробництва. З кожним роком ці проблеми стають усе більш гострими тому, що посилюються режими експлуатації технічних засобів, підвищуються вимоги до їхньої надійності, довговічності й точності функціонування, з'являються нові області застосування рухливих сполучень. Тертя твердих тіл або контакт із газоподібним або рідким середовищем супроводжується зміною їх розмірів. Послідовність явищ, що мають місце в зоні контакту, що й приводять до такого результату, називають зношуванням.

Зміна лінійних розмірів тіл, що сполучаються процесі тертя може відбуватися як внаслідок відділення з їхніх поверхонь невеликих обсягів матеріалу, так і в результаті пластичного деформування найбільш навантажених виступів поверхні тертя. Отже, зношування - це процес відділення матеріалу з поверхні твердого тіла при терті й (або) збільшення залишкової деформації, що супроводжується поступовою зміною розмірів цього тіла. У машинах і механізмах зношування є причиною зниження їх кінематичної точності. Виникнення динамічних навантажень, втрати міцності й руйнування окремих елементів. Зношування - ця зміна розмірів і форми твердого тіла в результаті зношування. Про величину зношування можна судити по зменшенню розмірів тіла, що треться в напрямку, перпендикулярному до його поверхні тертя. Кількісними характеристиками процесу зношування є швидкість і інтенсивність І зношування. Швидкість зношування - являє собою зношування тіла, що треться в одиницю часу. Визначається швидкість зношування як відношення товщини зношеного шару ∆h, зміни об’єму V, або маси ∆m, твердого тіла до інтервалу часу ∆t, протягом якого це тіло зазнало зношування. Розрізняють лінійну i_h об'ємну і_v і масову і_m швидкості зношування:

Більш розповсюдженими є характеристики процесу зношування які враховують шлях тертя L рівний, при постійній силі тертя й швидкості ковзання v, добутку v на час стирання ∆t. Розрізняють лінійну І_h, масову І_m, об'ємну І_v і енергетичну І_w інтенсивності І зношування. Лінійну інтенсивність зношування являє собою товщину зношеного шару ∆h, що приходиться на одиницю шляху тертя :

Ця величина може бути визначена по зміні обсягу ∆v або маси ∆m зношеного шару:

/( A_a L) : /(p A_a L) ,

Де p- щільність матеріалу, що треться;

A_a - площа поверхні тертя елемента, що треться (номінальна площа контакту, якщо поверхні тертя тіл, що сполучаються, однакові ). Очевидно, що І_h є безрозмірною величиною. У більшості випадків інтенсивність зношування реальних тіл . Масова інтенсивність зношуванні - це маса речовини, яка віддаляється з поверхні тіла, що зношується, за одиницю шляху тертя :

Об'ємна інтенсивність зношування - це обсяг матеріалу, зношеного за одиницю шляху тертя :

Розрізняють миттєву й середню швидкості й інтенсивності зношування. Наведені вище характеристики являють собою середні швидкість і інтенсивність зношування. Миттєві значення цих характеристик є похідними зношування за часом або шляху тертя.

Енергетична інтенсивність зношування визначає обсяг зношеного матеріалу, що доводиться на одиницю роботи сили тертя :

де F - сила тертя.

Ця характеристика застосовується в основному при вивченні роботи гальмових обладнань і муфт зчеплення. Зносостійкість Е_и різних реальних вузлів тертя може приймати значення, що належать широкому інтервалу : від до . Розрізняють десять класів зносостійкості ( від 3- го до 12- го ), кожний з яких відрізняється по величині Е_и від наступного за ним в 10 раз. Номер класу відповідає мінімальному показнику ступені при Е_и . Так, якщо зносостійкість колодкового гальма відповідає шостому класу , це означає, що Еи= , якщо сьомому класу, то Еи= . При вивченні опору матеріалів абразивному зношуванню найчастіше в лабораторних випробуваннях використовують поняття відносна зносостійкість Е_о :

де - висота зношеного шару еталона ;

- висота зношеного шару досліджуваного матеріалу.

Величини й визначаються при однакових режимах навантаження.

Наведені характеристики процесу зношування є інтегральними для обраної пари тертя й режимів її навантаження . Вони не зв'язують зношування із процесами взаємодії й руйнування в зоні контакту.

Зношування тіл, що труться слід розглядати як сумарний результат одночасного протікання елементарних актів руйнування й змін властивостей матеріалу, природа яких різноманітна. Це визначає різноманіття видів зношування, що мають місце на одному й тому ж контактному майданчику в будь-який заданий момент часу. Однак для кожної конкретної пари тертя й обраних режимів навантаження характерний ведучий (домінуючий) вид зношування, що визначає інтенсивність зношування тіл, що труться. Поряд з ведучим мають місце супутні види зношування. Так, при втомному зношуванні, що переважає по своєму якісному й кількісному прояву, можливе існування абразивного й окисного видів зношування. Зі зміною режимів навантаження провідним видом може бути абразивне зношування, а супутніми - втомне й окисне.

Таким чином, при терті реальних тіл у зоні контакту можуть реалізовуватися часток, що одночасно трохи приводять до утвору, зношування явищ, що мають різну природу, що й підкоряються різним закономірностям. Математичний опис процесу зношування базується, як правило, на одному явищі. Це явище може бути основним, однак у реальних вузлах воно не визначає повністю опір матеріалів, що сполучаються, зношуванню. Тому не слід очікувати повного збігу розрахункових значень інтенсивності зношування з даними, які отримані експериментально для реальних вузлів тертя. Різноманіття причин зношування тертьових тіл привело до розробки великої кількості класифікацій видів зношування, кожна з яких різниться принципом, покладеним у її основу. Розглянемо деякі з них. В основу першої класифікації, запропонованої Бринеллем в 1921 р., була покладена кінематична ознака й наявність прошарку між поверхнями тертя. Згідно із цією класифікацією, існують наступні види зношування: при терті кочення з мастильним матеріалом; при терті кочення без мастильного матеріалу; при терті ковзання з мастильним матеріалом; при терті ковзання без мастильного матеріалу; при терті тіл, розділених твердими частками. Ф. Т. Барвелл і К. Стронг запропонували класифікацію видів зношування, засновану на фізико-механічних і хімічних явищах у контакті. Вони розрізняють сім видів зношування: 1) задір або заїдання, обумовлені сильною адгезійною взаємодією на точках контакту; 2) пластичний плин поверхні; 3) викришування; 4) стирання твердими частками; 5) безперервне зношування, що приводить до утворення дрібних часток зношування й згладжуванню поверхні тертя (у результаті впливу слабких механічних навантажень і адгезії); 6) зношування в результаті хімічної корозії ; 7) фреттинг-корозия. В основу класифікації Б. І. Костецкого покладені фізико-хімічні й механічні процеси, що протікають у зоні тертя. У цьому випадку виділяють наступні види зношування: схоплювання твердих тіл; окисне зношування; корозію й фреттинг , а також зминання; ерозійне, кавітаційне й втомне зношування. Класифікація І. В. Крагельского, заснована на характері порушення фрикційних зв'язків і руйнування поверхонь тертя, включає: втомне зношування, спостережуване при пружному відтискуванні матеріалу нерівностями, що впровадилися, контр тіла; малоциклову втому при пластичному відтискуванні матеріалу; мікрорізання з утворенням стружки при більших значеннях глибини щодо впровадження нерівностей поверхні контр тіла в обсяг поверхневого шару, що зношується, матеріалу; адгезійне порушення фрикційних зв'язків, спостережуване при схоплюванні плівок; когезіонне руйнування поверхневих шарів при схоплюванні тертьових тіл на ювенільних ділянках контакта. Д.Н. Гаркунів запропонував підрозділяти зношування на наступні види; при схоплюванні й заїданні поверхонь; виборчий перенос; водневе; окисне; корозійне; корозійно-механічне; фреттинг-корозія; внаслідок диспергування, внаслідок пластичної деформації; у результаті викрошування знову утворених структур; тріщиноутворення на поверхнях тертя; абразивне й ерозійне. Ця класифікація побудована з обліком фізико-механічних і хімічних явищ, що протікають у зоні контакту, і топографії поверхні тертя після зношування.