Диссертация (1137132), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Возможно, что одной57из причин является изменение свойств внедряемых частиц минералов приизмельчении, которое может приводить к повышению поверхностнойактивностичастицмалогоразмера,переходувеществавновуюмодификацию, дегидратацию или гидратацию [11, 14].Также можно выделить особенности природных материалов, которые,возможно, способствуют достижению уникальных параметров поверхности,модифицированной природными минералами [11, 14]:- минералы сформировались под воздействием высоких давлений итемператур, которые недостижимы при промышленном получении;- минералы получают из горных пород, содержащих значительноеколичество примесей, которые в ряде случаев могут быть полезными иулучшать свойства природного материала;- минералы содержат до сотни различных атомов различных веществ в одноймолекуле, при этом атомы могут быть объединены в группы, которые могутменять свои аллотропические состояния при различном воздействии наповерхность образца или детали.Отсутствие в настоящее время приемлемого объяснения природыособыхсвойствчастицамиповерхности,минераловмодифицированнойприродногоультрадисперснымипроисхождения,неисключаетиспользования наблюдаемых эффектов для повышения ресурса различныхдеталей и механизмов.ВыводыПослеосуществлениямодификацииповерхностиобразцаизтитанового сплава ВТ6 при помощи технологии минеральных покрытий,использующей низкотемпературные технологические операции (локальныйнагрев до 80 0С), твердость поверхности образца из титанового сплаваувеличилась на 45-70%.58Износостойкость поверхности образца из титанового сплава ВТ6,модифицированной минералами, увеличилась в 4-5 раз по сравнению сизносостойкостью поверхности титанового сплава ВТ6 без модификации.59Глава 3.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ВЛИЯНИЯ НАТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИНИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ПАР ТРЕНИЯ «СТАЛЬДИОКСИД АЛЮМИНИЯ".Температурный нагрев деталей из металла, вызванный трением иливнешней средой, приводит к изменению некоторых трибологическихпараметров, прежде всего коэффициента трения. Изменение этих параметровможетпривестикинтенсификацииразрушительныхпроцессовнаповерхности и в объеме металлической детали, что влияет на ееизносостойкость и ресурс [5, 7, 16].Нагрев при работе и последующее ускорение процесса изнашивания,например, подшипников скольжения и качения, редукторов, червячныхпередач и других деталей являются типичными случаями, возникающимипри работе различных механизмов и устройств [7, 16].
Поэтому стабилизациякоэффициента трения при нагреве трущихся металлических поверхностейявляется важной и актуальной научно-технической задачей.Увеличение мощности аппаратов, агрегатов и машин также частосопровождается активным трением и может привести к снижениюизносостойкостиидолговечностиизносостойкостиматериалов,вмеханизмовчастностис[16].Повышениепомощьюсозданияизносостойких покрытий, также является актуальной проблемой.Одним из перспективных направлений поверхностного упрочненияматериалов является формирование минеральных покрытий на поверхностиметаллической детали.
Основа технологии минеральных покрытий дляповышения износостойкости деталей из металла была создана в России впериод с 2009 по 2013 годы [10, 11, 16]. Минеральные покрытияосуществляютзащитуотизнашиванияметаллическихдеталей60эксплуатируемых механических систем различного назначения, в том числеработающих в условиях агрессивной среды (высоких температур, абразива,кислот, морской воды), повышают их ресурс, снижают энергопотребление засчёт снижения механических потерь в машинах и механизмах.При этом следует отметить, что технология минеральных покрытий несоздает покрытия как такового, а создает модифицированный слой глубинойдо 30-50 мкм [15, 16].Процессы, проходящие на поверхности материалов при трении,особенновусловияхагрессивнойсреды,являютсясложными.Моделирование таких процессов часто приводит к расчетным результатам,значительно отличающихся от экспериментальных [11].
Для практическойдеятельноститакаяситуация,естественно,являетсясовершеннонеприемлемой. Поэтому для каждого вида поверхности металла проводитсяпроцедура подбора минераловобработкии/илиформированияи задание технологических режимовповерхностногослоя,обогащенногоминералами, а также проводятся эксперименты для подтверждения свойствповерхности после модификации. В частности, определение температурнойзависимости коэффициента трения металлической детали позволяет внекоторых случаях прогнозировать ресурс деталей и механизмов и можетслужить базовым экспериментом при прогнозировании свойств различныхдеталей с минеральными покрытиями в других случаях [11, 16].Целью исследования, представленного в настоящей главе, являетсяопределение следующих трибологических параметров поверхностей партрения из стали с минеральными слоями, созданными по технологии [10]:1.
Коэффициента трения в зависимости от температуры на воздухе;2. Коэффициента трения и коэффициента объемного износа прискольжении в условиях смазки дистиллированной и морской водой.613.1. ДЕТАЛИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ1.Впервомэкспериментенаобразцахизконструкционнойнизкоуглеродистой стали 18CrNiMo7-6 (отечественный аналог 18Х2Н2М)были созданы минеральные покрытия по технологии [10] с различнойшероховатостью поверхности Ra (average roughness).Ниже представлены результаты исследований четырех серий образцов(испытаниям подвергали по два образца каждой серии) [16]:- образцы серии R06, без минерального покрытия, прошли поверхностнуюзакалку токами высокой частоты (ТВЧ);- образцы серии R10 с минеральным покрытием;- образцы серии G1 (G13 и G14) с минеральным покрытием, но без закалкиТВЧ перед созданием минерального слоя;- образцы серии G2 (G15 и G16) с минеральным покрытием были закаленыТВЧ перед созданием минеральных слоев.Исследована зависимость коэффициента трения на указанных вышеобразцах в зависимости от температуры в диапазоне 30…140 0С.
Линейнаяскорость перемещения образца варьировалась в диапазоне 4…74 мм/с,контактное давление 550…600 МПа, смазка - масло Mobil SHC 639.Использование этого вида масла обусловлено его применением длясмазывания зубчатых передач и подшипников при экстремально низких ивысоких температурах или больших нагрузках. Типичное применение масла– подшипники качения различных миксеров и подшипники прокатныхвалков, подвергающихся воздействию высоких температур.2.
Во втором эксперименте был исследован износ образцов сминеральными слоями и без специальной обработки в эксперименте поскольжению дисков на тороиде со смазкой маслом Mobil SHC 639(методология изложена в [38-39]). Исследование скольжения в режимесмешанной/граничной смазки осуществлялось в дистиллированной воде и всинтетической морской воде, приготовленной согласно DIN 50905.62В этом эксперименте на поверхности металлических образцов,изготовленныхввидедисковтокарнойобработкойпрутковизнизкоуглеродистой хромистой стали X12Cr13 (12Х13 - в соответствии сотечественным ГОСТ), были созданы модифицированные минеральные слоипо технологии [10].
Толщина созданных минеральных слоев варьироваласьот 5 мкм до 20 мкм, что совершенно не сказалось на результатахэкспериментов. По тороидам из оксида алюминия вращались диски из сталиX12Cr13 с минеральным покрытием и без покрытия (температура воды Т=230С; линейная скорость перемещения v=0,1 м/с; общая длина перемещения s=2км). Коэффициент объемного износа рассчитывался стандартным образом[5]. При проведении экспериментов использовали синтетическое масло наоснове полибутиленгликоля (GLYMOT PBG B20) и масло Mobil SHC 639.Режим со смазкой маслом Mobil SHC был выбран потому, что наличиесмазки является типичным для многих практических случаев.
Испытания поскольжению со смазкой маслом Mobil SHC проводилось при контактномдавлении 100 МПа.3.2.РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ВЫВОДЫИспользуя возможности технологии создания минеральных покрытий,на поверхности стальных образцов серий R10 и G специально были созданыминеральные слои различной степени шероховатости.3D профилишероховатости различных образцов показаны на рисунке 13 (методизмерения профиля шероховатости при помощи 3D оптических системподробно описан, например, в работе [53]). Профили шероховатостидемонстрируют изменение Ra (average roughness) почти на порядокдляразличных образцов от 0,47 мкм до 3,3 мкм.
На рисунке 13 различныевеличинышероховатости(шкала справа профилякаждогообразца)соответствуют различным оттенкам серого и белого цветов, что удобно длявосприятия картины в целом.63Рисунок 13. 3D профиль шероховатости различных образцовв первом экспериментеНа рисунке 14 показаны графики зависимости коэффициента тренияскольжения от скорости скольжения для несколькихобразцов без64минерального покрытия и с минеральным покрытием.
Во всех случаяхкоэффициент трения уменьшается с увеличением скорости скольжения, чтотипично для режима смешанной смазки. Наименьший коэффициент былзафиксирован на образцах G13 и G14 с минеральным покрытием, без закалкиТВЧ перед созданием минерального слоя. Коэффициент трения этихобразцов примерно на 15% меньше, по сравнению с образцами серии R06 (нарисунке R06-1), закаленных ТВЧ, без минерального покрытия.Рисунок 14.
Зависимость коэффициента трения скольжения образцов отскорости скольжения65На рисунке 15 показаны результаты измерения коэффициента трениявсех серий образцов (R и G) в зависимости от температуры. В этихэкспериментах температура увеличивалась ступенчато от 300С до 1400С принеизменной скорости перемещения образца 37 мм/с.Рисунок 15. Графики зависимости коэффициента тренияобразцов от температурыНаблюдаемое увеличение коэффициента трения образцов серии R06(на рисунке - R06-1) без минерального покрытия, прошедших стандартную66закалку ТВЧ, вполне ожидаемо и связано с изменением вязкости смазкии/или разрушением в результате трения окисной пленки на поверхности.Весьма интересным для практического использования является то, чтодля всех образцов с минеральным покрытием, как закаленных передсозданием слоя, так и не закаленных, коэффициент трения в указанномдиапазонетемпературостаетсяпрактическинеизменным.Диапазонизменений коэффициента трения в указанных температурных пределах непревышает0.02.Традиционностабилизациякоэффициентатрениясвязывается с состоянием окисных пленок на поверхности металла.
Окиснаяпленкаподавляетсилымолекулярноговзаимодействиятрущихсяповерхностей, заменяя их силами ван-дер-ваальсовского взаимодействия,которые слабее молекулярных в несколько сот раз. Возможно, что в случаесоздания минеральных слоев, стабильное поведение коэффициента тренияпри увеличении температуры происходит по этой же причине. Здесь рольпленкивыполняетстойкийкизменениютемпературыслой,модифицированный минералами [16].Результаты второго эксперимента в обобщенном виде представлены нарисунках 16 и 17.67Рисунок 16.
Коэффициенты объемного износа неподвижного тороида изоксида алюминия, по которому скользят в дистиллированной воде и морскойводе при смешанных условиях смазки вращающиеся диски из стали X12Cr13с минеральным покрытием (№№1-12) и без покрытия. На правой оси ординатотложены значения коэффициента трения всех дисков, участвовавших вэксперименте, измеренных по окончании вращения.68Рисунок 17.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
