1_Kubich.doc Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов трибосопряжений Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 6 Кубич В.И., Ивщенко Л.И. Запорожский национальный технический университет РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЭЛЕМЕНТОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ Постановка проблемы Известно, что поверхностные свойства элементов трибосопряжений зависят от свойств вторич- ных структур, образующихся при трении из их исходного материала путем его структурной перестройки и взаимодействия со средой. Управление процессами образования вторичных структур позволяет полу- чить оптимальные триботехнические характеристики и структурные параметры материалов. Свойства вторичных структур зависят от их химического состава и направленности протекания целого комплекса физико-химических процессов, обусловленных как средой контактного взаимодействия, так и самими материалами. В качестве такой среды может использоваться галлиево-индиевая среда, в которой на по- верхности одного из элементов способом финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) формируется медьсодержащее покрытие [1 - 3]. Результаты предыдущих исследований показали, что наиболее значимый состав поверхностно- активной галлиево-индиевой среды, обуславливающий износостойкость исследуемого сопряжения, соот- ветствует содержанию индия 17 - 19 % ат. масс (сплавы № 1, 2) [4]. Покрытия формировались в процессе фрикционно-механической обработки поверхности ролика прутком из бронзы БрОФ4-0,25 при разном содержании компонентов галлиево-индиевой среды. Содержание индия изменялось от 6 до 19 % ат. масс. Ролики изготовлялись из стали 45ХН2МФА, d = 50 мм, шероховатость поверхности Ra = 1,25 мкм, ко- лодки - из высокооловянистого алюминия АО20-1 ГОСТ 14113-78, материал основы сталь 08 кп ГОСТ 1050-88, номинальная площадь контакта120 мм2, давление в контакте 0,9МПа, частота вращения ролика 320 мин-1. В соответствии с этим наибольший интерес представляет характер распределения химических элементов в слоях трибопокрытий как первоначально сформированных на поверхности роликов при ука- занном содержании индия, так и после испытаний на износостойкость в сопряжении с антифрикционным слоем колодок. Поскольку исходный состав антифрикционного слоя колодок для всех вариантов иссле- дуемых сопряжений оставался постоянным, то интерес представляет характер изменения его химическо- го состава для колодок, контактирующих при испытаниях с покрытиями роликов, сформированными при использовании сплавов № 1 - 5 [4], а также с роликами без покрытия. Однако такие сведения при исполь- зовании вышеуказанных компонентов покрытий пока отсутствуют. Данный факт вызывает необходимость в проведении рентгеноспектрального анализа приповерх- ностных слоев рассматриваемых элементов трибосопряжений. Полученные результаты позволят как оценить степень влияния состава галлиево-индиевой среды на распределение химических элементов во вторичных структурах, образующихся в медьсодержащих покрытиях роликов и антифрикционных слоях колодок при их контактном взаимодействии, так и опре- делить их химический состав, обуславливающий улучшение показателей износостойкости исследуемых трибосопряжений. Методы исследования Из образцов роликов и колодок электроэрозионным методом были вырезаны фрагменты, на по- перечных срезах поверхностей которых выполнялись шлифы. Рентгеноспектральный анализ поперечных шлифов роликов и колодок выполнялся на установке РЭММА JSM-6360 LA в режиме линейного перемещения зонда U = 15 кВт, I = 50 нА. Глубина проникновения рентгеновского луча в анализируемые слои для химических элементов составляла: ≈Alh 2,0 мкм; ≈InSnFeh ,, 0,7 мкм; ≈GaCuh , 0,6 мкм. Химический состав, концентрацию элементов определяли по зо- нам (точкам). Распределение зон (точек) сканирования обуславливалось необходимостью получения наиболее полной картины послойного и локального характера распределения химических элементов. Результаты исследований и обсуждение На рис. 1 а - в, 2 а - в приведены фотографии поверхности шлифов с покрытиями, сформирован- ными на поверхности роликов при использовании сплавов № 1, 2, а в табл. 1, 2 распределение химиче- ских элементов по зонам (точкам), полученных в результате их сканирования. Анализ полученных данных показал следующее. Покрытие представляет собой ячеистую структуру. Каркас структуры сформирован на шерохо- ватости поверхности ролика, в качестве связующего материала предположительно выступает индий, т.к. он обладает свойством хорошо смачивать металлы и выполнять функции припоя [5]. Данное утвержде- ние основано на том, что концентрации элементов различны, а отсюда и разность цвета: галлий с индием имеет на рисунках более темный цвет, медь с оловом более светлый. Значительное превышение содер- жания меди, по отношению к галлию, и в некоторых зонах (точках) его отсутствие объясняется том, что в данных случаях шлиф прошел по несущей стенке медного каркаса. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов трибосопряжений Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 7 х9500 а х8500 б х 3500 в Рис. 1 – Зоны сканирования трибопокрытия, сформированного при использования сплава № 2: а, б – до испытаний; в – после испытаний; 1 – покрытие; 2 – основной материал ролика х4500 а х3500 б х 8000 в Рис. 2 – Зоны сканирования трибопокрытия, сформированного при использовании сплава № 1: а, б – трибопокрытие до испытаний; в – после испытаний; 1 – покрытие; 2 – основной материал ролика Таблица 1 Распределение химических элементов по зонам и точкам Позиция на рис. 1 № зоны (точки) O Si Cr Fe Ni Cu Ga In Sn Всего, % 007 1,35 0 0 0 0 43,39 46,89 1,27 7,11 100 008 1,13 0 0 3,14 0 46,41 43,01 0 6,30 100 009 0 0 0 1,72 0 89,47 0 0 8,80 100 010 0 0 0 1,86 0 87,48 2,65 0 8,01 100 011 0 0 0 3,89 0 77,97 10,17 0 7,97 100 012 0 0 0 6,55 0 64,07 22,91 0,72 5,75 100 а 013 0 0,07 2,25 93,89 3,79 0 0 0 0 100 001 0 0 0 2,85 0 80,44 7,06 2,81 6,84 100 002 4,04 0 0 4,43 0 7,14 80,29 2,36 1,74 100 003 4,07 0 0 4,1 0 6,30 81,45 2,74 1,35 100 004 0 0 0 7,14 0 71,19 13,6 1,61 6,46 100 б 005 0 0,28 1,18 95,47 3,06 0 0 0 0 100 001 0 0 0 1,72 0 64,08 30,97 3,23 0 100 002 0 0 0 2,12 0 64,92 29,67 3,29 0 100 003 0 0 0 3,34 0 63,64 29,51 3,51 0 100 004 0 0 1,19 97,37 1,44 0 0 0 0 100 в 005 0 0,24 0,91 98,86 0 0 0 0 0 100 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов трибосопряжений Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 8 В обоих случаях в структурах после испытаний отсутствует олово, что указывает на его выход в смазочную среду. Имеет место изменение содержания индия в образовавшейся структуре после испытания по сравнению с исходной структурой в 1,25 - 2,0 раз (сплав № 2), и в 1,31 - 2,04 раза сплава № 1. Распределение соотношений меди и галлия послойно с поверхности образовавшейся структуры в ее глубь к основанию подложки ролика составляют: - при использовании сплава № 1 – 2,3; 2,9; 2,5; 1,8 раза; - при использовании сплава № 2 – 2,06; 2,18; 2,16 раза. Достаточно интересным представляется распределение кислорода в анализируемых структурах. В структурах до испытаний кислород расположен только в ячейках сосредоточения галлия и индия. В каркасе, образованном медью, кислород отсутствует. При этом в процентном соотношении количество кислорода в структуре покрытия, сформированном при использовании сплава № 2 в 1,5 раза больше чем в структуре, образованной при использовании сплава № 1, табл. 1, 2, а (008), б (010). Данные сведения предположительно обуславливают факт отсутствия оксидов меди в рассматриваемых структурах. Таблица 2 Распределение химических элементов по зонам и точкам Позиция на рис. 2 № зоны (точки) O Si Cr Fe Ni Cu Ga In Sn Всего, % 002 0 0 0 1,17 0 90,11 0 0 8,72 100 003 0 0 0 0,52 0 89,86 0 0 9,62 100 004 0 0 0 1,93 0 88,5 0 0 9,57 100 005 0 0 0 2,79 0 83,67 3,17 1,03 9,35 100 006 3,32 0 0 4,79 0 13,07 76,27 1,49 1,06 100 а 008 0 0,15 1,21 97,25 1,38 0 0 0 0 100 009 0 0 0 0 0 90,1 0 0 9,90 100 010 2,53 0 0 0 0 20,17 65,56 3,53 8,20 100 011 2,47 0 0 6,64 0 8,94 73,66 3,07 5,22 100 б 012 0 0 0 4,27 0 59,54 36,19 0 0 100 007 1,52 0 0 2,81 0 63,45 27,57 4,64 0 100 008 1,83 0 0 2,78 0 68,43 23,43 3,51 0 100 009 1,77 0 0 3,34 0 64,45 25,47 4,97 0 100 в 010 1,31 0 0 3,92 0 57,16 31,32 6,29 0 100 Характер распределения основных легирующих элементов в образующихся структурах: медь, олово, галлий, индий, указывает на их перестроение по поверхности роликов, более эффективнее – при использовании сплава № 1, т.е. при содержании индия 19 % ат. масс. Полученные результаты объясняются тем, что галлий, обладая достаточно высокой смачиваемо- стью, проникает в пустоты кристаллического строения медьсодержащей структуры, заполняет их, всту- пая при этом в химическое взаимодействие с медью, препятствует ее окислению, восстанавливая тем са- мым олово, которое диффундирует к поверхности, и уходит из структуры в смазочную среду. На рис. 3, а - е, 4, а, б приведены фотографии поверхности шлифов антифрикционных покрытий колодок, а в табл. 3 распределение химических элементов по зонам, полученных в результате их скани- рования. x200 а х 250 б х300 в PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов трибосопряжений Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 9 х300 г x350 д x300 е Рис. 3 – Зоны сканирования поверхностей шлифов колодок, контактирующих с трибопокрытиями роликов, сформированных при использовании сплавов № 1 - 5: а – исходная структура; б – сплав № 1; в – сплав № 2; г – сплав № 3; д – сплав № 4; е – сплав № 5; 1 – антифрикционный слой; 2 – основа колодки х350 а х70 б Рис. 4 – Зоны сканирования колодок: а – шлиф колодки, контактирующей с роликом без покрытия; б – поверхность колодки, контактирующей с покрытием ролика, сформированного с использованием сплава № 1 Анализ полученных данных показал следующее. Исходная структура антифрикционного слоя колодки представляет собой алюминиевый каркас темного цвета с равномерно распределенными включениями (хлопьевидной формы в сечении) светлого цвета, основу которых составляет олово. Медь распределена как в каркасе, так и во включениях. Усред- ненное соотношение %-го содержания химических элементов в исходной структуре составляет: Al:Sn = 6,6:1; Al:Cu = 70,9:1; Sn:Cu = 12,6:1. Взаимодействие антифрикционного слоя колодок с покрытиями роликов, сформированных при использовании сплавов № 1 - 5, обусловило изменения структур приповерхностных слоев колодок, ко- торые стали неоднородными на глубине h ≈ 50 мкм: - для сплава № 5 наблюдаются концентрические полуокружности с явно выраженными тонкими нитевыми включениями белого цвета, соотношения химических элементов составляют: Al:Sn = 5,0:1; Al:Cu = 87,9:1; Sn:Cu = 17,6:1; - для сплава № 4 наблюдается темный фон с включениями слабовыраженными округлой и при- плюснуто-вытянутой формы светлого цвета, соотношения химических элементов составляют: Al:Sn = 9,4:1; Al:Cu = 50,0:1; Sn:Cu = 5,3:1; - для сплава № 3 наблюдается только темный фон с едва просматривающимися включениями белого цвета нитевидной формы, соотношения химических элементов составляют: Al:Sn = 9,4:1; Al:Cu = 44,0:1; Sn:Cu = 4,7:1; - для сплава № 2 характер распределения фона каркаса и включений подобно сплаву № 3, за ис- ключением того, что структурирование включений белого цвета с приближением к поверхности выраже- но более четко, соотношения химических элементов составляют: Al:Sn = 12,2:1; Al:Cu = 53,8:1; Sn:Cu = 4,4:1; - для сплава № 1 характер распределения фона каркаса и включений подобно сплаву № 2 только с более четко выраженной границей от остальной структуры под поверхностью колодки, которая почти подобна исходной, однако несколько уплотненная с своеобразными дырчатыми рядами, соотношения химических элементов составляют: Al:Sn = 10,5:1; Al:Cu = 62,3:1; Sn:Cu = 7,96:1. - для колодки, взаимодействующей с роликом без покрытия, явных отклонений от исходной структуры не наблюдается, за исключением того, что на лицо явно выраженный износ и произошло из- менение в соотношениях химических элементов: Al:Sn = 25,1:1; Al:Cu = 41,2:1; Sn:Cu = 1,6:1. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов трибосопряжений Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 10 Таблица 3 Распределение химических элементов по зонам Позиция на рис. № зоны O Al Cu Sn Всего, % 001 0 84,97 0,48 14,55 100 002 0 81,82 1,58 16,60 100 003 0 85,89 1,42 12,70 100 3, а 004 0 100,0 0 0 100 009 3,49 87,19 1,04 8,28 100 010 3,32 84,68 3,06 8,94 100 011 2,79 87,77 1,27 8,18 100 012 4,07 76,00 2,43 17,5 100 013 3,84 89,87 0 6,28 100 3, б 014 2,45 97,55 0 0 100 005 2,34 88,75 1,65 7,26 100 006 1,64 74,51 1,13 22,72 100 007 1,93 80,24 1,53 16,29 100 008 2,50 81,02 1,69 14,79 100 3, в 009 2,39 97,61 0 0 100 001 2,44 86,41 1,96 9,19 100 002 2,05 88,21 0,99 8,75 100 003 2,03 81,29 1,07 15,62 100 004 2,08 86,92 0 11,00 100 3, г 005 2,79 97,21 0 0 100 001 2,95 86,14 1,72 9,20 100 002 2,64 93,5 1,31 2,54 100 003 3,19 96,81 0 0 100 004 3,70 77,47 0 18,83 100 005 2,85 85,85 2,07 9,23 100 3, д 006 3,52 96,48 0 0 100 006 2,04 80,89 0,92 16,15 100 007 2,35 70,52 1,23 25,89 100 008 1,91 85,72 2,65 9,72 100 3, е 009 2,39 83,06 0,53 14,02 100 001 1,83 92,25 2,24 3,68 100 002 1,96 74,49 1,07 22,48 100 003 1,61 85,28 2,18 10,93 100 4, а 004 2,07 97,93 0 0 100 010 2,09 97,91 0 0 100 022 0,96 78,69 1,50 18,86 100 023 4,06 66,71 (1,77) 2,76 24,70 100 4, б 024 22,44 0 6,98 70,57 100 Существенные изменения в концентрации химических элементов в образовавшихся структурах наблюдаются: - для олова, его уменьшение по отношению к исходной величине составляет 10,9 % для колод- ки, контактирующей с роликом без покрытий, и 5,4 - 7,35 % для колодок, контактирующих с покрытия- ми, сформированными при использовании сплавов № 2 - 5; - для алюминия, его увеличение по отношению к исходной величине составляет 10,3 % для ко- лодки, контактирующей с роликом без покрытий, и 3,92 - 6,53 % для колодок, контактирующих с покры- тиями, сформированными при использовании сплавов № 2 - 5. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов трибосопряжений Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 11 Контактное взаимодействие поверхностей исследуемых трибосопряжений вызвало появление в образовавшихся структурах антифрикционного слоя колодок кислорода, который отсутствовал в исход- ной структуре до испытаний на износостойкость. При этом его %-е содержание в колодках, взаимодей- ствующих с различными трибопокрытиями имеет для некоторых сплавов существенное отличие. Так его увеличение для сплавов № 1, 2 по отношению к структуре, образованной при испытании с роликом без покрытия, составило в 1,28; 1,9 раза соответственно. Просматривается тенденция к формированию приповерхностного слоя – ровной структуры, нижняя граница которого ограничена линейчато распределенными включениями белого цвета с доста- точно ровным шагом по глубине, рис. 3, б. При чем эта структура схожа с исходной – не деформирован- ной при контактном взаимодействии. Толщина образовавшегося слоя ≈ 25 - 35 мкм, состав химических элементов: Al - 8,28%; Sn – 87,19%; Cu - 1,04%; О - 3,49%. Структурное выделение формирующегося слоя вызвало определенный интерес и необходимость в поверхностном сканировании образца, рис. 4, б. В результате получена следующая картина: - на всей контактной поверхности колодки, зона 024, на глубине ~0,7 мкм от поверхности обра- зовался мини слой, основу которого составляет олово: Sn – 70,57 %; Cu – 6,98%; О – 22,44 %; - в местах выхода из зоны трения, зона 023, но на поверхности обнаружено наличие Ga - 1,77 %, а также продукт взаимодействия, основу которого составляет уже алюминий, табл. 3. Сравнительно большое количество меди 6,98 % в тончайшем поверхностном слое ≈h 0,6 мкм против 1,04 % в нижележащем ≈h 20 мкм указывает на возможное зарождение очагов пленки меди, ис- точником которой, вероятнее всего, является медьсодержащая структура на поверхности ролика. Полученные сведения в целом свидетельствуют о том, что при контактном взаимодействии формирующейся структуры медьсодержащего покрытия на ролике с образующейся структурой в припо- верхностных слоях антифрикционного слоя колодки происходят химико-физические процессы. Степень активности таких процессов обуславливается составом галлиево-индиевой среды, компоненты которой являются формообразующими формирующихся структур на ролике. При чем галлий в слои антифрикци- онного слоя колодок не проникает, а сосредотачивается в образующихся при трении «подвижных фор- мообразованиях» на поверхности колодок, оказывая тем самым влияние на диффузионные потоки хими- ческих элементов антифрикционного слоя колодок. Выводы Результаты рентгеноспектрального анализа приповерхностных слоев элементов трибосопряже- ний показали, что химический состав вторичных структур образующихся при их контактном взаимодей- ствии определяется степенью активности галлиево-индиевой среды, обуславливаемой содержанием ее компонентов. Существенная неоднозначность распределения химических элементов в анализируемых струк- турах указывает на протекание в них комплекса физико-химических процессов, обусловленных диффу- зионными потоками самих элементов. Определено, что наилучшим показателям износостойкости соответствует характер распределе- ния химических элементов в структурах образцов, обусловленного использованием сплава №1. Полученные данные могут использоваться как основа для формирования износостойкого по- крытия и его дальнейшего исследования в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш» двигателя внутреннего сгорания. Литература 1. Гаркунов, Д.Н. Триботехника. Износ и безызносность [Текст] / Гаркунов Д.Н. – М.: Издатель- ство МСХА. – 2001. – 616 с. 2. Степанов, В.Н. Повышение ресурса автомобильных двигателей при ремонте способом фи- нишной антифрикционной безабразивной обработки [Текст] /Степанов В.Н., Колчаев А.М. // Автомо- бильный транспорт. – 1999. – № 10 – С. 38-40. 3. Кубич, В.И. К методике исследования избирательного переноса в трибосопряжении «шейка- покрытие-вкладыш» ДВС [Текст] / Кубич В.И., Ивщенко Л.И. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2007. – № 2 – С. 134-138 4. Кубіч, В.І. Про вплив вмісту компонентів галієво-індієвого середовища на триботехнічні характеристики трибоз’єднання [Текст] / В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко // Проблеми тертя та зношування. – 2009. – № 52. – С. 92-101 5. Яценко, С.П. Индий. Свойства и применение [Текст] / С.П Яценко. – М.: Наука, 1987. – 256 с. Надійшла 01.10.2010 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com