9_Marchuk.doc Процеси тертя та зношування у трибосистемах з дискретно - орієнтованою структурою. Повідомлення 1. Магнітні явища при терті… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 53 Марчук В.Є., Морозов В.І., Духота О.І., Морозова І.В. Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна ПРОЦЕСИ ТЕРТЯ ТА ЗНОШУВАННЯ У ТРИБОСИСТЕМАХ З ДИСКРЕТНО - ОРІЄНТОВАНОЮ СТРУКТУРОЮ. ПОВІДОМЛЕННЯ 1. МАГНІТНІ ЯВИЩА ПРИ ТЕРТІ ПОВЕРХОНЬ З ДИСКРЕТНО - ОРІЄНТОВАНОЮ СТРУКТУРОЮ Загальна постановка проблеми та її зв’язок з науково - практичними задачами В даний час, незважаючи на значний прогрес науки про тертя та зношування, питання підвищен- ня зносостійкості і зменшення втрат у трибологічних системах залишаються багато в чому невирішени- ми. Це пояснюється складністю процесів і явищ, які відбуваються в тонких поверхневих шарах трибо- сполучень. В останні роки процеси тертя та зношування досліджуються з урахуванням енергетичних пози- цій з метою найбільш повного врахування різних факторів, які можуть вплинути на цей процес. Відомо, що тертя розглядається як пружно - коливальний процес генерації тепла в поверхневому шарі і утворен- ня вторинних структур. Поряд з генеруванням тепла при терті є і інші перетворення енергії, серед яких має місце збудження електричних і магнітних полів, створення термострумів, трибохімічні реакції та ін. Ці фактори відіграють важливу роль у процесах тертя та зношування. Огляд публікацій та аналіз невирішених проблем Як відомо, міжфазні гетерогенні процеси, що протікають в граничних шарах, ускладнюються термо-електромагнітними явищами, що виникають при терті. При цьому зону тертя розглядають як дже- рело електромагнітного випромінювання, яке сприяє утворенню поверхнево-активних речовин, які ма- ють підвищену мастильну здатність, сприяючого зниженню зносу деталей. Встановлено [1], що після впливу на масло МК-8 постійним магнітним полем знос пари тертя зі сталі ШХ15 при терті ковзанні в умовах граничної мастильної плівки зменшується в 2,0 - 2,5 рази, а вплив на масло електрофізичним способом призводить до зменшення зносу в 3,0 - 3,5 рази. Одночасно з цим встановлено збільшення осьового навантаження на 20 % і зменшення температури масла і зразка на 25 - 30 %. Відзначено зменшення моменту тертя на 12 - 16 %. Аналогічні результати було отримано після впливу на масло МК-8 постійного магнітного поля напруженістю 340 кА/м в умовах фретинг-корозії, що дозволило зменшити знос α - заліза в 1,8 - 2,0 ра- зи. Проведення випробувань через 24 і 48 годин після впливу магнітного поля приводить до зменшення зношування контактуючих деталей тільки на 20 - 22 % і 14 - 16 % відповідно [2]. Для покращення параметрів роботи вузлів тертя широко використовується метод магнітно- імпульсної обробки. Імпульсне магнітне поле, взаємодіючи з матеріалом деталі, змінює її теплові та еле- ктромагнітні властивості, покращує структуру та експлуатаційні характеристики деталі. За допомогою магнітно-імпульсної обробки можна не менш ніж на 25 % підвищити працездатність вузлів тертя, збіль- шити на 20 - 50 % ефективність мастила і швидкість охолодження підшипників, прискорити (в потрібно- му напрямку) протікання хімічних реакцій в зоні тертя між компонентами мащення. Це дозволяє з ймові- рністю 60 - 70 % прогнозувати характер очікуваного руйнування деталі (вузла). Технологія магнітної обробки механізмів і машин в спеціальних магнітних камерах (великого обсягу) підвищує надійність складання і монтажу агрегатів, збільшує економічність роботи двигунів внутрішнього згоряння, реактив- них двигунів, вузлів атомних реакторів, вузлів літаків, робочих блоків і устаткування кріогенної апарату- ри, турбін, клапанів та ін. [3, 4, 5]. В роботі [6] показано, що в умовах фретинг - корозії інтенсивність руйнування контактуючих металів залежить від їх електрохімічних і електрофізичних явищ. Термоелектричні струми, супутні фрет- тинг-корозії, не грають основної ролі в її виникненні, але, вони є одним з факторів, що впливають на ди- фузійні процеси на границі контакту. Зовнішнє електричне поле, взаємодіючи з полем термо е.д.с., також впливає на адсорбційні та дифузійні процеси, прискорюючи чи сповільнюючи їх. Результатом такого впливу є зміна швидкості окислення контактуючих поверхонь, що приводить до зміни інтенсивності роз- витку процесів схоплювання. Магнітні явища широко використовуються для абразивної обробки широкого класу металів і сплавів. Магнітно-абразивна обробка забезпечує отримання параметрів шорсткості Ra = 0,01 – 1,0 мкм, зниження хвилястості у 8 - 10 разів, збільшення контактної міцності і зносостійкості деталей у 2 - 3 рази. Дана технологія використовується для обробки м’яких та в’язких, так і неметалевих матеріалів [7, 8]. Теоретично обґрунтовано вплив електромагнітного поля дискретних поверхонь на процеси тертя та зношування трибосистеми [9]. Показано, що на кромках дискретних ділянок (лунок) буде виникати найбільша напруженість магнітного поля, у порівнянні з виступами нерівностей поверхні тертя у між лу- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Процеси тертя та зношування у трибосистемах з дискретно - орієнтованою структурою. Повідомлення 1. Магнітні явища при терті… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 54 Рис. 1 – Схема пристосування для дослідження напруженості магнітно- го поля дискретних поверхонь: 1 – зразки з дискретними ділянками; 2 – пластини постійного магніту нковому просторі. В результаті на них будуть накопичуватися парамагнітні частки (продукти деструкції масла) і продукти зношування (феромагнетики), які притягуються до магнітного поля з найбільшим гра- дієнтом напруженості. Ці процеси будуть сприяти вилученню часток з поверхні тертя, їх накопичуван- ням на кромках лунок, що запобігатиме виникненню недопустимих процесів пошкодження поверхневого шару у між лунковому просторі в місцях фактичного контакту. Але ці твердження потребують експери- ментальної перевірки. У зв'язку з вищевикладеним наукові дослідження магнітних явищ у трибоконтакту з дискретними поверхнями є актуальними. Крім того, необхідно відмітити, що дослідження магнітних явищ у дискретних по- верхнях в літературі майже відсутні. Мета дослідження Дослідження магнітних явищ у трибосистемах з текстурованими лунковими поверхнями та їх вплив на закономірності зношування в умовах граничного мащення. Методика досліджень Дослідження напруженості магнітного поля здійснювали на виготовленому макеті за допомо- гою приладу вимірювання магнітної індукції – тесламетра ЭМ4305/1 (клас точності 2,5). Для виготов- лення зразків, на поверхні яких формувалися дискретні ділянки (лунки), використовували сталі 30, 45, 30ХГСА, 14Х17Н2 та чавун. Робоча поверхня зразків шліфувалася до Ra = 0,32 мкм. Дослідження впливу постійного магнітного поля на діелектричну проникність ε і тангенс кута діелектричних втрат tgδ мінерального масла МК-8 проводили за допомогою триелектродного ємнісного перетворювача в діапазоні температур 293–423К зі швидкістю нагрівання зразка два градуси за хвилину. Вибір ε і tgδ для досліджень обумовлений їх високою чутливістю, що значно перевищує широко відомі властивості, як густина, в’язкість, показник заломлення та ін., які широко застосовуються у фізико- хімічному аналізі. Вимірювання ε і tgδ проводили автоматичним мостом змінного струму Е8-4. Похибка вимірювання ємності конденсатора С становила ∆С = 0,001С + 0,02пФ і tgδ = ± (0,02tgδ + 5 · 10-4). Тангенс кута діелектричних втрат tgδ знаходили за формулою: tg ! !! ε ε =δ , де ε! і ε!! – дійсна та уявна діелектрична проникність відповідно. Комплексна діелектрична проникність ε визначалась ємністю конденсатора: вCC ⋅ε= , де Св – ємність вакуумного конденсатора. Результати досліджень та їхній аналіз На рис. 2 представлені результати досліджень напруженості магнітного поля поверхні з дискрет- ними ділянками. 0 10 20 30 40 50 60 70 Чавун-чавун Сталь 45-сталь 45 14Х17Н2-14Х17Н2 30ХГСА-30ХГСА 30ХГСА-сталь 45 30ХГСА-сталь 30 Чавун-сталь 30 Міжлунковий простір Кромка лунки Середина лунки Рис. 2 – Залежність напруженості магнітного поля на поверхні контакту зразків з дискретними ділянками PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Процеси тертя та зношування у трибосистемах з дискретно - орієнтованою структурою. Повідомлення 1. Магнітні явища при терті… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 55 Встановлено, що на кромках лунок напруженість магнітного поля різко збільшується і в залеж- ності від пари контакту на 10 - 26 % вища, у порівнянні з напруженістю магнітного поля у між лунково- му просторі, яка становить 44 - 65 мТл. Поза межами кромки (у лунці) величина напруженості магнітно- го поля різко зменшується до 13 - 17 мТл. Загальна картина розподілу напруженості магнітного поля на поверхні дискретної ділянки (на підставі рис. 3) представлена на рис. 3 а. Інша картина спостерігається в процесі зношування дискретної ділянки, коли кромки лунок поступово згладжуються. В результаті досліджень встановлено, що величина напруженості магнітного поля на зношених кромках падає до величини напруженості магнітного поля між лункового простору (рис. 3, б). Отримані результати підтверджують теоретичне обґрунтування впливу магнітного поля дискре- тних ділянок на процеси тертя та зношування трибосистеми [9]. Тому можна стверджувати, що продукти зношування (феромагнетики) будуть концентруватися (контактувати) спочатку з великими виступами на поверхні (кромками лунок), які є концентратором найбільших магнітних силових ліній, у порівнянні з шорсткістю поверхні у між лунковому просторі (рис. 4). Кожна частка продуктів зношування у магніт- ному полі буде направлена до вершини кромки лунки більшою віссю. В залежності від навантаження па- ри тертя, швидкості ковзання та інших факторів здійснюється зношування вершин кромок лунок і затуп- лення вершин частинок зношування та їх переорієнтація таким чином, щоб знову створена найбільша вісь направлялася уздовж найбільших магнітних силових ліній. Тобто здійснюється механічне зношу- вання (згладжування) виступів кромок лунок і частинок продуктів зношування на субмікроскопічному (нано) рівні. При зношуванні кромок лунок силові лінії магнітного поля зменшуються до величини на- пруженості магнітного поля у між лунковому просторі і продукти зношування в подальшому вилучають- ся у лунки. Ці процеси дозволяють усунути ймовірність появи у зоні тертя критичних навантажень і тем- ператур та запобігатиме виникненню недопустимих процесів пошкодження поверхневого шару у між лунковому просторі в місцях фактичного контакту та покращити триботехнічні характеристики пар тертя. а б Рис. 3 – Загальна картина зміни величини напруженості магнітного поля на поверхні дискретної ділянки: а – вихідний розмір дискретної ділянки; б – після зношування кромок дискретної ділянки Рис. 4 – Фізична модель зношування окремої дискретної ділянки в умовах граничного мащення: 1 – лунка; 2 – контртіло; 3 – продукти зношування; 4 – зразок; 5 – лінії магнітного поля Це підтверджуються даними, отриманими в результаті проведення експериментальних дослі- джень дискретних поверхонь в умовах граничного мащення. Встановлено високу зносостійкість тексту- рованих лункових поверхонь як без, так і додатково зміцнених методом іонно-плазмового термоцикліч- ного азотування (ІПТА). Вони перевищують зносостійкість сталей 45 у 3,1 - 5,3 рази і 30ХГСА - 1,9 - 3,25 рази, сталі 30ХГСА, поверхневий шар якої зміцнений методом ІПТА у 1,3 - 2,3 рази [9]. Також по- кращились умови припрацювання пар тертя з дискретними поверхнями. Встановлено зменшення як три- валості припрацювання, так і величини коефіцієнта тертя зразків з дискретними поверхнями [10, 11]. В роботі [12] показано, що характер розподілу температури на дискретній поверхні по глибині практично однаковий. Розкид температур становить 4 - 10 °С. Найбільша температура спостерігається в зоні трибоконтакту біля лунок і становить 30 - 95 °С в залежності від тимчасового інтервалу. Темпера- турне поле у між лунковому просторі носить випадковий характер, оскільки джерелами нагрівання є мікронерівності на контактуючих поверхнях, які мають різну мікрогеометрію і твердість. При високій якості обробки поверхні щільність розташування мікронерівностей надзвичайно висока і одночасно в контакт вступають приблизно 100 - 1000 мікронерівностей на 1 мм. При вказаній щільності розташуван- ня мікронерівностей тривалість існування температурного спалаху складає 10-1 - 10-8 с (при швидкості тертя 10 м/с) [13]. Випадковий характер розташування мікронерівностей в сукупності з неоднорідністю властивостей поверхневого шару, зокрема, твердості і мікродефектів структури, приводить до того, що розподіл температур у мікронерівностях також є випадковим. У процесі тертя спалахи температур відводяться у лунковий простір і у глибину матеріалу основи. Різниця температур у лунці і на поверхні трибоконтакту забезпечує постійне відведення тепла із зони тертя, що запобігає інтенсифікації процесів руйнування поверхневого шару елементів трибоконтакту. Значний вклад у покращення триботехнічних властивостей пар тертя забезпечують мастильні матеріали. Вуглеводні мастильні матеріали являють собою неполярні рідкі діелектрики з розведеними в них полярними молекулами невеликій концентрації. Неполярні рідини, в яких основну роль відіграє поляризованість електронного зсуву, мають невисоку діелектричну проникність в межах ε = 1,8 - 2,5. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Процеси тертя та зношування у трибосистемах з дискретно - орієнтованою структурою. Повідомлення 1. Магнітні явища при терті… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 56 Рис. 5 – Залежність діелектричної проникності ε і тангенса кута діелектричних втрат tgδ мінерального масла МК–8 від температури і магнітного поля: 1 – ε ; 2 – tgδ; 3 – tgδ після впливу магнітного поля Діелектрична проникність і тангенс кута діелектричних втрат вуглеводневих рідин залежать від температури. Мастильні матеріали можна розглядати як розчин кисневих, сірчистих, азотистих та інших з'єднань у вуглеводному середовищі. У певних умовах при підвищенні температури і взаємодії з киснем нестабільні вуглеводні і гетерогенні органічні сполуки окислюються, що призводить до збільшення їх молекулярної ваги, а отже і до зміни діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат. Продукти деструкції мастильних матеріалів (парама- гнетики) завжди полярні і мають значний дипольний момент. Ці частинки несуть, як правило, певний електромагнітний заряд. Дослідження, проведені з мастильними матеріалами, показали, що діелектрична проникність мастильних матеріалів залежить від температури і з її підвищенням лінійно зменшується, що повністю узгоджується з теорією діелектриків [14]. При нагріванні масла розширюються, внаслідок чого на одиницю об'єму виявляється ме- нше молекул і діелектрична проникність рідини падає (рис. 5). Особливого розгляду заслуговує залежність тангенса кута діелектричних втрат мастильних матеріалів. Температура, склад суміші та хімічні властивості мастильних матеріалів впливають на стабільність утворення вільних радикалів і напрямок окисного про- цесу в цілому [15]. Як видно з рис. 5 залежність tgδ від темпера- тури масла МК-8 має екстремальний характер, який проявляється в діапазоні температур 373 - 423 К. Завдяки різному впливу складу мастильних матеріалів на процес їх окислення із зростанням температури вище певної межі, спостерігається зниження швидкості окислення і в певному інтервалі швидкість зміни тангенса кута діелектричних втрат має від'ємне значення. Таким чином, із зростанням температури швидкість утворення полярних з'єднань у визначеному інтервалі тем- ператур зменшується. При подальшому підвищенні температури відбувається різке збільшення tgδ, тоб- то середня швидкість окислення масла приймає позитивне значення і збільшення tgδнівелюється. Тобто, можна стверджувати, що при підвищенні температури молекули набувають теплову енергію і отримують можливість орієнтуватися в електромагнітному полі, що призводить до появи дипольно-орієнтаційної поляризації. По мірі звільнення молекул дипольно-орієнтаційна поляризація зростає з температурою. Потім, коли всі молекули набувають можливість орієнтуватися в електромагнітному полі, дипольно- орієнтаційна поляризація проходить через максимум. При подальшому зростанні температури дипольно- орієнтаційна поляризація зменшується через те, що тепловий рух заважає молекулам орієнтуватися в електромагнітному полі. Екстремальний характер температурної залежності швидкості утворення продуктів окислення відзначався в літературі [16]. Можливою причиною даного ефекту є екстремальна температурна залеж- ності швидкості реакції зародження ланцюгів по гомогенному механізму. Таким чином, вплив магнітного поля на мастильні матеріали, при якому відбувається поглинан- ня енергії магнітного поля, створює сприятливі умови для переходу молекул у збуджений стан утворюю- чи при цьому міжмолекулярні асоціати і комплекси, які сприяють збільшенню швидкості окислення мас- тильних матеріалів в об’ємі рідкої фази. З отриманих даних видно, що після впливу магнітного поля діелектричні втрати в кілька разів збільшуються, залишаючись практично незмінними при кімнатній температурі. Різке збільшення танген- са кута діелектричних втрат при зростанні температури мастильних матеріалів можна пояснити, очевид- но, формуванням іон-радикальних комплексів і комплексів з переносом заряду, що сприяє збільшенню релаксаційних втрат за рахунок збільшення числа дипольних молекул і слабо зв'язаних іонів. Висновки 1. Експериментальними дослідженнями встановлено, що найбільша напруженість магнітного поля виникає на кромках лунок дискретної поверхні, яка на 10 - 26 % вища, у порівнянні з величиною напруженості магнітного поля у між лунковому просторі. В процесі зношування дискретної поверхні, коли кромки лунок поступово згладжуються, напруженість магнітного поля на зношених кромках падає до величини напруженості магнітного поля між лункового простору. 2. Встановлено закономірності впливу напруженості магнітного поля на триботехнічні характе- ристики поверхонь з дискретно - орієнтованою структурою в умовах граничного мащення, яка забезпечує вилучення з поверхні трибоконтакту парамагнітних і феромагнітних часток і тим самим PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Процеси тертя та зношування у трибосистемах з дискретно - орієнтованою структурою. Повідомлення 1. Магнітні явища при терті… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 57 запобігатиме виникненню недопустимих процесів пошкодження поверхневого шару у між лунковому просторі в місцях фактичного контакту. Це підтверджуються даними, отриманими в результаті проведе- них експериментальних досліджень дискретних поверхонь в умовах граничного мащення. 3. Встановлено зменшення температури в зоні трибоконтакту з дискретними поверхнями, що дозволяє усунути ймовірність появи у зоні тертя критичних навантажень і температур та запобігатиме виникненню недопустимих процесів пошкодження поверхневого шару у між лунковому просторі в місцях фактичного контакту, покращити триботехнічні властивості пар тертя за рахунок їх відведення у лунки. 4. Проведені дослідження впливу постійного магнітного поля на діелектричну проникність і тан- генс кута діелектричних втрат масла МК-8. Встановлено, що у певних умовах при підвищенні темпера- тури і взаємодії з киснем нестабільні вуглеводні і гетерогенні органічні сполуки окислюються, що при- зводить до збільшення їх молекулярної ваги, а отже і до зміни діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат. Література 1. Канарчук В.Е. Исследование противоизносных свойств топлив и масел после ЕФВ / В.Е. Ка- нарчук, В.И. Морозов, Н.Н. Дмитриев // Эксплуатация автомобильной техники : межвузов. наук.-техн. зб. – М.: МАМИ, 1991. 2. Краля В.А. Влияние магнитного поля на износ α - железа при фреттинг-коррозии / В.А. Краля, В.И. Морозов // Материалы ІV научно-технической конференции. – Эксплуатационные свойства топлив, смазочных материалов и спецжидкостей. – К., 1977. 3. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин / Б.В. Малыгин – М. : Машиностроение, 1989. – 120 с. 4. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение изделий (теория и практика) / Б.В. Малыгин, А.П. Бень. – Херсон: Изд-во ХГМИ, 2009. – 352 с. 5. Макаренко А.С. Влияние электромагнитного поля, проходящего через зону фрикционного контакта, на износ при высокоскоростном трении / А.С. Макаренко, В.Д. Евдокимов // Проблеми техніки : науково-виробничий журнал. – Одеса: Диол-Принт, 2005. – №1. – С. 77-84. 6. Голего Н.Л. Фреттинг-коррозия / Н.Л. Голего, А.Я. Алябьев, В.В. Шевеля – К. : Техніка, 1974. – 272 с. 7. Барон Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущегося инструмента / Ю.М. Барон. – Л.: Машиностроение, 1986. – 176 с. 8. Сакулевич Ф.Ю. Основы магнитно-абразивной обработки / Ф.Ю. Сакулевич – Мн.: Наука и техника, 1981. – 328 с. 9. Марчук В.Є. Зносостійкість текстурованих лункових поверхонь з дискретно-орієнтованою структурою в умовах граничного мащення / В.Є. Марчук, О.І. Духота, В.І. Морозов //Проблеми тертя та зношування : наук.-техн. зб. – К.: НАУ, 2012. – Вип. 57. – С. 128-138. 10. Марчук В.Є. Дослідження зносостійкості електроіскрових покриттів в умовах фретинг- зношування / В.Є. Марчук, О.І. Духота, Н.О. Науменко // Проблеми тертя та зношування: наук.-техн. зб. – К.: НАУ, 2011. – Вип. 56. – С. 84–93. 11. Фретингостійкість дискретних поверхонь в умовах граничного тертя [Марчук В.Є., Духота О.І., Градиський Ю.О., Єнін О.М.] // Вісник Харківського НТУСГ ім. Петра Василенка. – Харків: Вид-во Харківського НТУСГ ім. Петра Василенка, 2010. – Вип. 100. – С. 147-152. 12. Цыбанев Г. В. Управление свойствами поверхностей трения при приработке дискретных по- крытий в условиях фреттинга / Г.В. Цыбанев, В.Е. Марчук, В.И. Калиниченко // Проблемы трибологии. – 2011. – №1. – С. 52-57. 13. Корндорф С.Ф. Исследование возможности определения всплесков температуры в зоне тре- ния, используя нормальный закон распределения значений температуры / С.Ф. Корндорф, Е.В. Кузнецо- ва // Физика, химия и механика трибосистем. Межвуз. сб. науч. тр.; Под ред. В.Н. Латышева. – Иваново: Иван.гос.ун-т, 2005. – Вып. 4. – С. 56-60. 14. Богородицкий Н.П. Теория диэлектриков / Н.П. Богородицкий, Ю.М. Волокобинский, А.А. Воробьев, Б.М. Тареев – М.: Энергия, 1965. – 341 с. 15. Третьяков И.Г. Влияние примесей дизельного топлива и бензина на диэлектрические потери топлива РТ / И.Г. Третьяков, В.И. Морозов // Исследование процессов подготовки, применения и кон- троль качества ГСМ и спецжидкостей : зб. наук. праць. – К., 1988. – С. 40-43. 16. Браткова А.А. Теоретические основы химмотологии / Браткова А.А. – М.: Химия, 1985. – 320 с. Надійшла 24.10.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com