2_Kubich.doc О механизме снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка - покрытие - вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 15 Кубич В.И., Ивщенко Л.И. Запорожский национальный технический университет О МЕХАНИЗМЕ СНИЖЕНИЯ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ В ТРИБОСОПРЯЖЕНИИ «ШЕЙКА - ПОКРЫТИЕ - ВКЛАДЫШ» Постановка проблемы Основной целью модификации приповерхностных слоев элементов трибосопряжения «шейка- вкладыш» кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания является создание таких структур, которые способны в результате контактного взаимодействия обуславливать минимальные ме- ханические потери при трении, закладывая при этом предпосылки к снижению изнашивания трибосоп- ряжения в целом. Износ поверхностей шеек и вкладышей, в условиях их сложного контактного нагруже- ния, сопровождающегося сменой режимов смазывания, определяет предельный зазор в трибосопряжении и лимитирует ресурс двигателя [1, 2]. Результаты предыдущих исследований трибологических процессов, протекающих в приповерх- ностных слоях элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш», модифицированных компонен- тами покрытия, в условиях смены нагружения и режимов смазывания в зоне трения, показали следую- щее. В результате контактного взаимодействия компонентов покрытия и антифрикционного слоя вкла- дыша в их приповерхностных слоях формируются вторичные структуры, разделяемые граничным «вы- деленным слоем», с изменяющимися по глубине механическими свойствами, с эксплуатационной топо- графией поверхностей, обуславливающие снижение температурной напряженности и механических по- терь в трибосопряжении. При этом покрытие формировалось фрикционно-механическим способом на поверхности натурных образцов шеек коленчатых валов из комплекса материалов в составе: оловянистая бронза БрОФ4-0,25, поверхностно-активная среда %, (ат.) галлий 81, индий 19. Триботехнические испы- тания проводились на машине СМЦ-2 по схеме «шейка-вкладыш» с подачей смазочного материала и без него. Шейки изготовлялись электроэрозионным способом из восстановленных под ремонтный размер коленчатых валов рядных двигателей ЗМЗ (материал чугун ВЧ50), V-образных двигателей ЗИЛ (матери- ал сталь 45). В качестве образцов-вкладышей использовались цельные сталеалюминевые вкладыши с ан- тифрикционным сплавом АО20-1, материал основы сталь 0,8 кп. В качестве смазочного материала ис- пользовалось моторное масло LUKOL–STANDARD SAE 15W/40 SF/CC. Время испытаний составляло 105 ± 0,1 мин, частота вращения образца-шейки 675 ± 10 мин-1, давление в контакте менялось от 0,46 МПа до 2,46 МПа. Средняя величина площади трения для трибосопряжений из образцов элементов конструкции двигателя ЗИЛ составила 2S =5,4 ∙ 10 -4 м2, из образцов ЗМЗ – 1S =3,6 ∙ 10 -4 м2 [3, 4, 6, 7]. Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов модельных трибосопряжений, испы- танных ранее по схеме «ролик-колодка» с использованием рассматриваемых материалов, показал сле- дующее. Химический состав вторичных структур, образующихся при их контактном взаимодействии, определяется активностью галлиево-индиевой среды, а распределение в них химических элементов: ки- слорода, олова, алюминия, меди, индия галлия указывает на протекание комплекса механо-физико- химических процессов. При этом также наблюдалось снижение интенсивностей изнашивания образцов и повышение износостойкости трибосопряжений в целом [5]. Таким образом, полученные результаты указывают на то, что комплекс механо-физико- химических процессов, протекающих в контактных слоях образующихся вторичных структур, подтвер- жденный сведениями о характере изменения их триботехнических характеристик, механических свойств по глубине, формируемой эксплуатационной топографии, послойного перераспределения химических элементов, лежит в основе раскрытия механизма снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш». Однако сведения о характере распределения химических элементов во вто- ричных структурах, образованных контактным взаимодействием поверхностей натурных образцов эле- ментов трибосопряжений, испытанных в условиях контактного взаимодействия, приближенных к экс- плуатационным режимам работы, в настоящее время отсутствуют. Данный факт вызывает необходимость в проведении рентгеноспектрального анализа поверхно- стных слоев испытанных натурных элементов трибосопряжений, и их продуктов контактного взаимо- действия. Полученные результаты позволят дополнить сведения о составе вторичных структур и раскрыть механизм снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш», в котором покрытие сформировано из комплекса материалов в составе: оловянистая бронза БрОФ4-0,25, поверхно- стно-активная среда %, (ат.) галлий 81, индий 19. Методы исследования Для выполнения рентгеноспектрального анализа использовалась установка РЭММА JEOL JSM- 6360 LA с режимом линейного перемещения зонда =U 15 кВт, =I 50 нА, с программным обеспечени- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механизме снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка - покрытие - вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 16 ем обработки и регистрации данных JED-2300, рис. 1. Глубина проникновения рентгеновского луча в анализируемые слои для химических элементов составляла: ≈Alh 2,0 мкм; ≈InSnFeh ,, 0,7 мкм; ≈GaCuh , 0,6 мкм. Анализу подвергались: - слой медьсодержащей структуры, формируемый на поверхности образцов шеек; - слой антифрикционного покрытия образцов вкладышей; - продукты контактного взаимодействия материалов образцов исследуемых трибосопряжений. а б Рис. 1 – Общий вид установки РЭММА JSM-6360 LA: а – аппаратный комплекс в составе микроскопа, мониторов контроля данных измерений; б – окно программного обеспечения Сканирование осуществлялось в автоматическом режиме, как по контактной поверхности образ- цов, так и по поперечному шлифу. Поперечные шлифы выполнялись на торцевых поверхностях фраг- ментов образцов, изготовленных электроэрозионным методом. Пробы продуктов взаимодействия, мазками размером 2,5 × 2,5 × 0,2 мм, откладывались на стек- лянных подкладках размером 15 × 15 мм, тщательно высушивались и размещались в камере микроскопа. Химический состав, концентрацию элементов определяли по зонам (точкам). Распределение зон (точек) сканирования обуславливалось необходимостью получения наиболее полной картины послойного и ло- кального характера распределения химических элементов. Результаты исследований и обсуждение На рис. 2, а - д приведены примеры фотографий характерных для поверхностей образцов вкла- дышей, их поперечные шлифы, а в табл. 1 распределение химических элементов по сканируемым зонам. Анализ структур, изображенных на фотографиях и характера распределения химических эле- ментов показал: - поверхность вкладыша, контактирующего с поверхностью шейки без покрытия, отличается на- личием направленных следов трения – полос, чего не наблюдается на поверхности вкладышей, контак- тируемой с покрытием шейки – зоны ровные без упорядоченных следов, однако присутствуют фрагмен- тальные выступы; - структура шлифа вкладыша, контактирующего с поверхностью шейки без покрытия, сущест- венно отличается от структуры колодки, контактирующей с покрытием наличием ее упорядоченности – слои четко выраженные, параллельные поверхности, в отличие от ее структуры с деформационной иска- женностью со следами пластического течения. - содержание кислорода, как на поверхности, так и в глубину ~ 50 мкм для вкладышей, контак- тируемых с поверхностью шейки без покрытия практически одинаковое ~ (3 - 4) %, что не наблюдается для колодок, контактируемых с покрытием – заметное увеличение содержания кислорода до ~ (7 - 13) % на поверхности, и послойным его распределением по толщине образовавшейся структуры; - поверхность вкладыша, контактируемой с покрытием, обедняется алюминием в 1,2 - 1,4 раза, обогащается оловом в 1,4 - 1,5 раза, обогащается медью в 1,3 - 1,4 раза; содержание серы и кремния, как составляющих масла, остается практически неизменным; увеличивается содержание железа ~ в 2 раза (природа увеличения: растворимость пиков подложки шейки и движение вместе с потоком легирующих элементов на поверхность покрытия, а уже с него на поверхность вкладыша); - если по глубине шлифа вкладыша, контактирующего с шейкой без покрытия, от 0 до 50 мкм имеет место увеличение процентного содержания алюминия с ~ (70 - 94) %, то по глубине шлифа вкла- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механизме снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка - покрытие - вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 17 дыша, контактирующего с покрытием, процентное содержание алюминия изначально больше на глубине ~ (8 - 10) мкм в 1,4 раза, и снижается примерно до такого же процентного состава на глубине ~ (30 - 35) мкм; - если по глубине шлифа вкладыша, контактирующего с шейкой без покрытия, от 0 до 50 мкм имеет место снижение процентного содержания олова с ~ (30 - 4) %, то по глубине шлифа вкладыша, контактирующего с покрытием, процентное содержание олова увеличивается с минимального количест- ва с ~ 2 % до ~ 9 %. х50 а х1200 б х170 в х1200 г х1500 д Рис. 2 – Фотографии анализируемых слоев вкладышей: а – поверхность вкладыша, испытанная с поверхностью шейки без покрытия; б – поперечный шлиф вкладыша, испытанного с поверхностью шейки без покрытия; в, г – поверхность вкладыша, испытанного с поверхностью шейки с покрытием; д – поперечный шлиф вкладыша, испытанного с шейкой с покрытием Таблица 1 Распределение химических элементов в слоях вкладышей Химические элементы Номер позиции рисунка Номер зоны O Al Si S Fe Cu Sn Всего, % а 018 5,03 66,95 1,61 1,08 3,69 21,64 100 019 3,62 69,46 1,21 0,43 1,29 3,55 20,44 100 020 3,62 71,99 0,60 0,43 1,80 4,46 17,10 100 021 3,80 71,97 - - 1,54 3,56 19,13 100 б 009 3,57 66,88 - - - - 29,56 100 010 3,23 81,93 - - - - 14,84 100 011 3,01 92,55 - - - - 4,44 100 в 024 11,23 47,21 1,26 0,55 3,08 5,41 31,27 100 025 12,81 47,84 0,81 0,51 2,99 5,60 29,43 100 026 12,03 50,92 1,06 1,06 2,68 4,02 28,23 100 027 13,60 51,31 0,97 0,87 2,78 5,85 24,51 100 г 032 5,73 75,57 - 0,73 1,87 - 16,11 100 033 7,18 54,95 0,71 0,52 3,57 4,36 28,71 100 034 9,25 58,59 1,09 0,84 3,35 3,07 23,81 100 д 006 1,56 94,86 - - - 1,22 2,35 100 007 3,56 84,95 - - 1,59 3,85 6,04 100 008 1,25 85,78 - - 1,26 3,94 7,78 100 009 3,74 86,87 - - - - 9,39 100 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механизме снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка - покрытие - вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 18 На рис. 3, а - д приведены фотографии состояния покрытия на поверхности шеек, их поперечных шлифов, а в табл. 2 – распределение химических элементов по зонам сканирования. x800 а x400 б x300 в x1500 г x1000 д Рис. 3 – Фотографии анализируемых слоев шеек: а, б – поверхность шейки образца шейки ЗИЛ после испытания; в – поверхность шейки образца шейки ЗМЗ после испытания; г – поперечный шлиф покрытия на шейке ЗМЗ; д – поперечный шлиф покрытия на шейке ЗИЛ Таблица 2 Распределение химических элементов в слоях покрытия шейки Химические элементы Номер позиции рисунка Номер зоны O Al Si Fe Cu Ga In Sn Всего, % а 31 4,29 - - 6,98 9,2 73,54 5,99 - 100 32 0,16 - - 5,65 48,06 42,41 3,72 - 100 33 0,65 - - 85,77 2,02 10,73 0,82 - 100 35 2,01 - - 6,16 41,98 44,35 5,5 - 100 б 22 0,29 - - 7,33 76,49 6,83 0,91 8,14 100 23 - - 0,38 99,62 - - - - 100 24 0,61 - - 2,17 76,46 9,97 2,08 8,71 100 25 1,09 - - 2,69 62,54 17,99 6,97 8,73 100 26 0,47 - - 4,64 78,34 7,21 0,29 9,05 100 27 0,43 - - 5,2 80,54 4,98 0,2 8,65 100 в 25 1,41 2,41 0,67 67,5 9,69 14,35 1,83 2,15 100 26 1,37 3,24 0,55 51,45 12,28 28,48 2,62 - 100 г 1 0,54 - - 39,63 59,82 - - - 100 2 0,34 - 0,21 30,31 69,14 - - - 100 3 0,34 - 0,1 40,71 58,85 - - - 100 4 0,46 - 0,69 60,.85 38 - - - 100 5 - 1,26 98,74 - - - - 100 д 1 0,17 0,32 - 12,29 87,23 - - - 100 2 0,42 - - 24,96 74,62 - - - 100 3 0,58 - - 28,96 70,46 - - - 100 4 - - - 100 - - - 100 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механизме снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка - покрытие - вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 19 Анализ структур, изображенных на фотографиях и характера распределения химических эле- ментов показал: - поверхностное строение, структурирование по поперечным шлифам как для образцов шеек ЗМЗ, так и для образцов ЗИЛ однообразное; - поверхность покрытия в определенной степени гладкая с явно выраженным плоскостным строением, слегка перфорированным угловатыми углублениями ~ (1,0 - 1,5) мкм малой насыщенности - ~ (2 - 5) % на 0,1 мм2; - поверхностная структура ~ (1,5 - 2,0) мкм образована химическими элементами в средних со- отношениях: железо 5,1 %, медь 64,5 %, галлий 15,2 %, индий 2,54 %, олово 8,4 %, алюминий 2,8 %, ки- слород 1,18 % рассредоточенными над подложкой основного материала шеек; - поперечный шлиф покрытия представляет собой фрагментально уплотненную структуру мате- риала (просматриваются неоднородности в виде пор неправильно округлой формы) с шаровидными округ- лениями на поверхности, образованную только из меди и железа с очень малым содержанием кислорода. На рис. 4, а, б приведены фотографии состояния «выделенного слоя», образованного контактным взаимодействием испытуемых поверхностей элементов трибосопряжений, а в табл. 3 – осредненное рас- пределение в нем химических элементов по зонам сканирования. Анализ структур, изображенных на фотографиях и характера распределения химических эле- ментов показал: - вид «выделенного слоя» как для образцов шеек ЗМЗ, так и для образцов ЗИЛ однообразен и имеет чешуйчатое строение, частицы которого располагаются параллельно друг к другу; - состав имеет алюминиево-оловянистую основу с соотношением элементов ~ 2:1, насыщенную углеродом, кислородом, медью и галлием. х400 а х600 б Рис. 4 – Фотографии продуктов “выделенного слоя»: а – укрупненные частицы; б – локализованное строение Таблица 3 Распределение химических элементов в продуктах «выделенного слоя» Химические элементы Номер позиции рисунка Номер зоны С О Al Ga Sn Cu Всего, % а 12-18 4,4 4,2 59,6 - 28,6 3,2 100 б 38-47 19,5 10,1 45,3 2,7 22,4 - 100 В целом полученные результаты анализа приповерхностных слоев медьсодержащего покрытия на шейке, продуктов их контактного взаимодействия с антифрикционным составом вкладыша, сравнение их с ранее полученными данными [5], при проведении триботехнических испытаний модельных образ- цов, свидетельствуют о том, что: - без подачи масла в зону трения поверхностей образцов галлий находится в пещерообразных образованиях в теле структуры покрытия; - при подаче масла, при частичном разгружении трибосопряжения, увеличении зазора в нем, действии центробежных сил, при проявлении свойств жидкотекучести при рабочей температуре, галлий выходит из пещерообразных образований, оставляя, при этом, следы по их границам черного цвета и со- средотачивается в приповерхностных слоях глубиной ~(0-2,0) мкм; - галлий является связующим как для химических элементов на поверхности образовавшейся структуры: индий, олово, алюминий, образуя металлическую смазку, так и для химических элементов «выделенного слоя»; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механизме снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка - покрытие - вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 20 - образующиеся поры на плоскостях контурных площадок контактируемых поверхностей насы- щаются легирующими элементами их материалов, способствуют удержанию молекул масла, активиза- ции образования их молекулярных слоев. Репрезентация механизма снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка- покрытие-вкладыш» Данные, полученные ранее в результате анализа изменений триботехнических характеристик, топографии поверхностей [3, 6], механических свойств по глубине [4, 7] взаимодействующих слоев ма- териалов элементов трибосопряжения, результаты проведенного рентгеноспектрального анализа позво- лили представить картину их контактного взаимодействия, и обосновать механизм снижения трения и изнашивания, рис. 5. В результате контактного взаимодействия локальных зон медьсодержащего покрытия с зонами антифрикционного слоя вкладыша в условиях разрушения молекулярных слоев масла, происходит их деформирование, приводящее к протеканию структурных превращений под воздействием основного компонента – галлия. Рис. 5 – Картина контактного взаимодействия поверхностей элементов трибосопряжения «шейка-вкладыш»: 1 – основание антифрикционного слоя вкладыша; 2 – материал антифрикционного слоя вкладыша, х600, х1500; 3 – структура, сформированная в приповерхностном слое, h ≈ 25 мкм; 4 – продукт «выделенного слоя», х400; 5 – слой медьсодержащей структуры на поверхности шейки, х600 (h ≈ 8) мкм, х1000 (h ≈ 5 мкм); 6 – основной материал шейки, х250, х600, х1200; 7 – дорожки от уколов индентором прибора «Микрон-гамма» Галлий снижает поверхностную, приповерхностную и внутреннюю энергию взаимосвязей меж- ду элементами материалов, придавая им тем самым подвижность и возможность перемещаться как внут- ри образующихся структур, так и удерживаться по возможности на поверхности контактных зон. Это приводит к перестройке структурного состояния как материала покрытия на шейках – обеднение леги- рующими элементами и сосредоточение их на поверхности, образующейся пещероообразной структуры, так и формированию вторичных структур из материала антифрикционного слоя вкладышей на их по- верхности. В тоже время под формирующейся вторичной структурой на шейках также происходят про- цессы, приводящие с приспосабливаемости подложки к данным условиям трения. Это вызвано распро- странением области термического и механического влияния в глубину поверхности при тангенциальной прочности адгезионной связи с ней элементов покрытия. Поскольку это возможно при соответствующих механических свойствах образующейся поверхностной вторичной структуры – эластичность и проч- ность, иначе бы она не удерживалась в зоне контакта, то таковые ей присущи. Приведенное обуславли- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механизме снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка - покрытие - вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 21 вает подстройку свойств подложки к условиям трения и отсутствие возможного направленного потока дефектов кристаллического строения, обуславливающего повреждение поверхности контакта. Создающиеся трением вторичные структуры в поверхностном слое вкладыша достаточно пла- стичны ближе к поверхности контакта, глубина ~ (0 - 7) мкм, со вторичными структурами на поверхно- сти шейки. На пещероообразной поверхности вторичной структуры шейки, на малой глубине ~ 2 мкм, сосредоточены химические элементы «выделенного слоя», обуславливающие также зоны пониженной пластичности в матрице более упругих областей. Взаимодействие таких структур способствует образо- ванию зон контакта с контурными площадями, приближенными к номинальным, а скольжение осущест- вляется по плоскостям сдвига менее прочных слоев структур. При этом «выделяющийся слой» является проводником для переноса химических элементов со структуры вкладыша на структуру шейки и наобо- рот – обеспечивая режим пассивации, и обуславливая тем самым сравнимо низкий коэффициент трения без подачи масляной среды. Изменения в потоках энергий между взаимодействующими вторичными структурами, что нарушает режим пассивации – унос из зоны трения химических элементов, образую- щаяся система способна регулировать за счет имеющихся запасов материала на поверхностях элементов трибосопряжений. В трибосопряжениях, у которых медьсодержащее покрытие на поверхности шеек отсутствует, протекают процессы, связанные с упрочнением антифрикционного слоя вкладышей, движением дефек- тов, что вызывает более упругое деформирование и разрушение элементов геометрии поверхности шеек, приводящих к увеличению износа. Выводы В результате проведенного рентгеноспектрального анализа шлифов натурных образцов установ- лено наличие и характер распределения химических элементов: кислорода, меди, галлия, индия, олова, алюминия, железа во вторичных структурах, образованных контактным взаимодействием компонентов исходного покрытия на шейках и антифрикционного слоя вкладыша, и в выделенных ими продуктах. Полученные сведения дополнили представления о проявляющихся антифрикционных, механиче- ских свойствах вторичных структур, образующихся из комплекса материалов в составе: оловянистая брон- за БрОФ4-0,25; поверхностно-активная среда %, (ат.): галлий 81, индий 19 в трибосопряжении «шейка- покрытие-вкладыш», и дали возможность раскрыть в нем механизм снижения трения и изнашивания. Механизм снижения трения и изнашивания в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш» обусловлен структурированием материалов элементов трибосопряжений, и активируется адгезионно- когезионными процессами, обусловленными влиянием галлиево-индиевой среды. Литература 1. Кубіч В.І. Про вплив вмісту компонентів галієво-індієвого середовища на триботехнічні хара- ктеристики трибоз’єднання / В.І. Кубіч, Л.Й. Івщенко // Проблеми тертя та зношування. – 2009. – Вип. № 52. – С. 92-101. 2. Лукинский В.С. Прогнозирование надежности автомобилей / В.С. Лукинский, Е.И. Зайцев. – Л.: Политехника, 1991. – 224 с. 3. Кубич В.И. Износостойкость деталей трибосопряжения «шейка-вкладыш» с медьсодержащи- ми покрытиями / В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко // Проблемы трибологии. – 2011. – № 2. – С.103-110. 4. Кубич В.И. О механических характеристиках приповерхностных слоев элементов трибосоп- ряжения «шейка-покрытие-вкладыш» / В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко // Проблемы трибологии. – 2011. – № 4. – С. 97-102. 5. Кубич В.И. Рентгеноспектральный анализ приповерхностных слоев элементов трибосопряже- ний / В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко // Проблемы трибологии. – 2011. – № 1. – С. 6-11. 6. Кубич В.И. О топографии поверхностей элементов трибосопряжений / В.И. Кубич, Л.И. Ив- щенко // «IV Українсько-Польські Наукові Діалогі»: міжнар. наук. конф., 11-14 жовт. 2011 р.: тези наук. праць. – Хмельницький - Яремче: Хмельницький національний університет, 2011. – С. 154-155. 7. Кубич В.И. Топография поверхностей элементов трибосопряжений энергетических машин / В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко, В.И. Закиев // Вестник двигателестроения. – 2011. – №1. – С. 8-14. Надійшла 11.05.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com