16_Kubich.doc О механических характеристиках приповерхностных слоев элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 97 Кубич В.И. Ивщенко Л.И. Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, Украина О МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЭЛЕМЕНТОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯ «ШЕЙКА-ПОКРЫТИЕ-ВКЛАДЫШ» Постановка проблемы Механические характеристики контактных поверхностных слоев элементов трибосопряжений во многом обуславливают протекание процессов, связанных с зарождением дефектов, приводящих к их по- следующему разрушению в свойственных им эксплуатационных условиях работы. К таким характери- стикам могут быть отнесены послойные микротвердость и модуль упругости. Формирование исходных покрытий на поверхности одного из элементов трибосопряжений способом финишной антифрикционной базабразивной обработки (ФАБО) в поверхностно-активных средах приводит к ее первичному модифи- цированию, а дальнейшее ее контактное взаимодействие с поверхностью другого элемента к последую- щему. Причем изменению деформационного состояния подвергаются и контактные приповерхностные слои необработанной поверхности. При этом изменяются и приведенные механические характеристики. Безусловно, характер послойного глубинного изменения их значений обуславливает механизм деформа- ции контактных слоев, лежащий в основе обеспечения износостойкости элементов трибосопряжений в целом [1, 2]. Результаты проведенных ранее триботехнических испытаний по оценке износостойкости трибо- сопряжения «шейка-покрытие-вкладыш», проведенные в лабораторных условиях с использованием на- турных образцов, и металлографических исследований показали следующее. Покрытие, сформированное способом ФАБО на поверхностях шеек с использованием комплекса материалов в составе: оловянистая бронза БрОФ4-0,25; поверхностно-активная среда %, (ат.) галлий 81, индий 19, обуславливает снижение: износа контактных поверхностей элементов трибосопряжений, при изменении нагружения и режимов смазывания в зоне трения; температурной напряженности и механических потерь в трибосопряжениях, за счет образования вторичных структур из элементов покрытия и элементов антифрикционного слоя вкладыша при протекании в их приповерхностных контактных слоях структурных превращений; неодно- значно влияет на изменение микроструктуры приповерхностных слоев основного материала шеек. По- крытие формировалось на натурных образцах-шейках, материал сталь 45, чугун ВЧ50. В качестве образ- цов-вкладышей использовались цельные сталеалюминевые вкладыши с антифрикционным сплавом АО20-1, материал основы сталь 0,8 кп. Триботехнические испытания проводились в соответствии с цик- лом, моделирующим условия граничного трения поверхностей образцов, при которых происходит «ру- бежное граничное трение» - условия разрушения и возобновления слоя масляной композиции в зоне кон- такта [3, 4, 6]. В соответствии с этим определенный интерес представляет картина послойного изменения ме- ханических свойств в контактируемых слоях элементов исследуемых трибосопряжений, что, безусловно, лежит в основе протекания целого комплекса процессов структурообразования при действии компонен- тов используемой галлиево-индиевой среды. Особенно важно получить картину изменения свойств кон- тактных слоев именно в условиях образования вторичных структур. Однако сведения о характере изме- нения механических характеристик поверхностных слоев при использовании натурных образцов отсутствуют. Данный факт вызывает необходимость в проведении измерений значений микротвердости, мо- дуля упругости приповерхностных слоев элементов испытанных трибосопряжений. Полученные результаты позволят получить картину изменения рассматриваемых характеристик при проявлении свойств компонентов галлиево-индиевой среды и оценить степень ее влияния на процес- сы структурообразования в контактных слоях элементов трибосопряжений. Методы исследования Для измерения и последующего анализа механических характеристик поверхностей образцов использовался аппаратурный комплекс для микро и нанотестирования слоев поверхности материалов и покрытий в составе универсального нанотестера «Микрон-гамма», рис. 1 а, б [5]. Для удобства проводи- мых измерений фрагменты образцов собирались в пакет, закреплялись в струбцине 2 и позиционирова- лись на рабочем столике прибора. При работе нанотестера в качестве индентометра, осуществлялось непрерывное внедрение в ло- кальные участки поверхности образцов твердого индентора с регистрацией в автоматизированном режи- ме глубины его проникновения (h) и вдавливающей силы (Р). Результаты представлялись в виде графи- ческих диаграмм внедрения, отображающих зависимость Р от h, а также в виде цифровой базы данных. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механических характеристиках приповерхностных слоев элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 98 а б Рис. 1 – Внешний вид нанотестера «Микрон-гамма»: а – размещение образцов:1 - направляющая прибора; 2 – струбцина; 3 – фрагменты образцов роликов (шеек); 4 – окно программного обеспечения измерений; б – диаграммы внедрения: 1 - 5 ветви нагружения – слева, ветви разгрузки – справа Программное обеспечение данного прибора позволяет определять такие параметры как глубина внедрения hmax, микротвердость Hμ, модуль упругости E деформированного антифрикционного слоя. На каждом образце выполнялось от четырех до семи уколов при нарастающем нагружении и разгружении от 0 до 50 г. Уколы выполнялись как непосредственно в поверхность образцов, так и в плоскости шли- фов. Для проведения измерений по поверхности с помощью приспособления выполнялись лунки, а уко- лы производились в соответствии со схемой, рис.2 а,б. а б Рис. 2 – Приспособления для выполнения лунок на поверхности образцов: а – приспособление: 1 – образец-шейка; 2 – электродвигатель; 3 – вращающийся шар; 4 – направляющие конусы; 5 – опора; б – схема уколов в плоскости сечения лунки: 1 – слой покрытия; 2 – слой основного материала образца; 3 – места внедрения индентора; 4 – лунка; h1, h2, h3, hi – глубина измерения Такой прием позволил определить послойно как механические характеристики покрытий, так и приповерхностных структур основного материала без существенного разрушения образцов. Последнее позволило использовать для триботехнических испытаний натурные образцы с изначально определен- ными исходными характеристиками исследуемых структур образцов. Для определения глубины измерения использовалась программное обеспечение расчетов измере- ний Recogn of Objects, алгоритм вычислений составлен с учетом геометрических размеров шара, рис. 3 а, б. Программа производит вычисления расстояний между фиксируемыми точками на изображении (пикселями), в данном случае в местах уколов, определяя координаты в системе ХОУ. Точность измере- ния расстояний составила 1 мкм. В соответствии с полученными координатами определялась глубина анализируемого слоя: xcp ycp i x i x i A BAA h = α = tg , (1) где iхА – расстояние между точками по проекции на ось ОХ, мкм; Ахср – среднее расстояние между точками измерений по совокупности уколов по проекции на ось ОХ, мкм; Вуср – среднее расстояние между точками измерений по совокупности уколов по проекции на ось ОY, мкм. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механических характеристиках приповерхностных слоев элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 99 х800 а б Рис. 3 – Окно программы Recogn of Objects измерения расстояний по поверхности лунки: а – поверхность лунки на образце-шейке: 1 – материал образца (сталь 45); 2 – медьсодержащее покрытие; 3 – точки фиксации измерений (зоны уколов); 4 – укол индентора; б – информационное табло с рассчитанными расстояниями Результаты исследований и обсуждение В табл. 1 приведены усредненные значения микротвердости, модуля упругости приповерхност- ных слоев вкладышей, а на рис. 4, 5 представлены комплексные схемы их изменения по глубинам кон- тактных слоев вкладышей, покрытия, шеек. Таблица 1 Усредненные значения микротвердости, модуля упругости приповерхностного слоя вкладышей Микротвердость Hμ, ГПа Модуль упругости Е, ГПа Наименование Глубина слоя (0 - 7) мкм Глубина слоя (30 - 40) мкм Глубина слоя (0 - 7) мкм Глубина слоя (30 - 40) мкм Исходный материал 0,46 - 0,49 0,46 - 0,49 64,0 - 66,0 64,0 - 66,0 Материал, после испытаний модельных образцов 0,88* 0,48** - 72,0 34,0 - Материал, после испытания натурных образцов 0,82 - 0,77 0,56 - 0,61 0,62 - 0,68 0,61 - 0,65 68,5 - 71,3 38,3 - 42,8 (59,3 - 62,8) 73,2 - 74,9 70,2 - 73,4 Примечание: * – для трибосопряжений без покрытия; ** – для трибосопряжений с покрытием а PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механических характеристиках приповерхностных слоев элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 100 б в г Рис. 4 – Комплексная схема изменения модуля упругости, микротвердости по глубинам контактных слоев элементов трибосопряжений: а, б – материал шейки чугун ВЧ50; в, г – материал шейки сталь 45; I – слои поверхности вкладыша: 1 – взаимодействие с покрытием после испытаний; 2 – взаимодействие с поверхностью без покрытия; 3 – исходный материал; 4 – зона контакта поверхности вкладыша с шейкой; II – слои покрытия на шейке: 5 – область № 3; 6 – область № 2; 7 – область № 1; 8 – зона адгезионного взаимодействия материала покрытия с подложкой материала шейки; III – приповерхностные слои шейки: 9 – без покрытия после испытаний; 10 – без покрытия до испытаний; 11 – после нанесения покрытия до испытаний; 12 – после испытаний с покрытием PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механических характеристиках приповерхностных слоев элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 101 Анализ полученных результатов показал следующее. Для приповерхностных слоев вкладышей: - микротвердость поверхностного слоя, контактирующего с покрытием на шейке, по отношению к микротвердости слоя, контактирующего с шейкой без покрытия, уменьшилась в 1,35 раза, и в тоже вре- мя, по отношению к исходной - увеличилась в 1,2 раза. При этом микротвердость слоя, контактирующе- го с шейкой без покрытия увеличилась, по отношению к исходной в 1,7 раза; - на большей глубине от поверхности контакта микротвердости слоев, контактируемых как с по- крытием на шейке, таки и без него, увеличились в 1,34 раза по отношению к микротвердости исходного материала; - модуль упругости слоя контактирующего с покрытием на шейке, по отношению к таковому для слоя, контактирующего с шейкой без покрытия, уменьшился в 1,7, а также и в 1,2 раза (для данных при- веденных в скобках), что выделяет наличие неоднородности упругих свойств по глубине; - по отношению к исходному материалу наблюдается незначительное увеличение модуля упру- гости для слоев, контактирующих с шейкой без покрытия, и снижение в 1,6 (1,1), для слоев, контакти- рующих с покрытием; - на большей глубине от поверхности контакта модуль упругости слоев, контактируемых как с покрытием на шейке, таки и без него, увеличились в 1,14 раза по отношению к микротвердости исходно- го материала. Характер изменения величин, определяющих механические свойства приповерхностных слоев вкладышей, указывает на неоднозначность протекания структурных изменений, приводящих к различ- ному уровню пластичности и упругости контактных зон, что обуславливает их деформационное состоя- ние. Контактные зоны поверхностей вкладышей, контактирующие с шейками без покрытий подвергают- ся поверхностному упрочнению в большей степени, чем зоны вкладышей, контактирующие с покрытием на шейках, что является сопутствующим процессом деформаций с накоплением дефектов, приводящих к разрушению когезионных связей антифрикционного материала. Для приповерхностных слоев шеек, материал чугун ВЧ50, наблюдается: - незначительное увеличение модуля упругости в 1,1 раза с выраженным максимумом на глубине ~ 10 мкм для слоев модифицированных процессом формирования покрытия до испытаний, по отноше- нию к не обрабатываемой поверхности, для которой максимальные значения наблюдаются на глубине ~ (20 - 30) мкм и сходятся со значениями обработанной поверхности в более глубоких слоях; - снижение модуля упругости модифицированного слоя по результатам триботехнических испы- таний в 1,2 раза на глубине ~ (0 - 15) с последующим увеличением и сходимостью с результатами до ис- пытаний на глубине ~ (20 - 30) мкм; - для не обрабатываемой поверхности после ее испытания характерно незначительное увеличе- ние модуля упругости – в 1,1 раза, симметричное по всей глубине; - увеличение микротвердости слоев, модифицированных обработкой, в 1,24 раза, по отношению к не модифицированным, с максимальными значениями на поверхности с пологим уменьшением в глубину; - незначительные изменения микротвердости для слоев поверхности, не подвергавшихся обра- ботке после испытаний: уменьшение в 1,2 раза на глубине ~ (0 - 10) мкм, а также увеличение в 1,17 раза на глубине (25 - 30) мкм; - снижение микротвердости модифицированных слоев после испытаний в 1,3 раза, при этом ли- ния уменьшения ее значений в глубину более пологая, чем до испытаний. Такая картина характера изменений показателей механических свойств обуславливает протека- ние процессов структурообразования, не приводящих к изменению микроструктуры чугуна, а приводя- щих к упрочнено - релаксационному состоянию приповерхностных слоев с покрытием [6]. В результате работы трибосопряжения приповерхностные слои шеек с покрытием менее упруги, при большей микро- твердости, по отношению к шейкам без покрытия. Для приповерхностных слоев образца шейки, материал сталь 45, наблюдается: - незначительное увеличение модуля упругости в 1,1 раза с выраженным максимумом на глубине ~ 10 мкм для слоев модифицированных процессом формирования покрытия до испытаний, по отноше- нию к не обрабатываемой поверхности, для которой максимальные значения наблюдаются на глубине ~ (20 - 30) мкм и сходятся со значениями обработанной поверхности на этой глубине; - увеличение модуля упругости модифицированных слоев после испытаний в 1,24 раза с сохра- нением максимального значения, но уже на глубине ~ 15 мкм и таким же убыванием далее по глубине; - для слоев, не модифицированных обработкой, модуль упругости увеличивается в 1,4 раза и со- храняется постоянным по всей анализируемой глубине, что в 1,12 раза больше чем для модифицирован- ных слоев; - уменьшение микротвердости модифицированных слоев в 1,2 раза до испытаний по отношению к не модифицированным слоям с сохранением пологости убывания в глубину и сходимостью в более глубоких слоях; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com О механических характеристиках приповерхностных слоев элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 102 - увеличение микротвердости модифицированных слоев после испытаний в 1,24 раза, а также не модифицированных слоев в 1,38 раза, при том, что микротвердость модифицированных слоев по отно- шению к не модифицированным меньше в 1,2 раза. Такая картина характера изменений показателей механических свойств также обуславливает протекание процессов структурообразования, но уже приводящих к изменению микроструктуры стали, и релаксационно-упрочненному состоянию приповерхностных слоев с покрытием [6]. В результате работы такого сопряжения приповерхностные слои шеек с покрытием менее упруги, при меньшей микротвердо- сти, по отношению к шейкам без покрытий. Для слоев покрытия на шейках до испытаний, характерно: 1) четко просматриваются области структурных составляющих - фаз материала покрытия со зна- чениями микротвердости, модуля упругости: - область № 1: 0,3-0,7 ГПа, 20-45 ГПа; - область № 2: 1,2-2,2 ГПа, 60-85 ГПа; - область № 3: 4,5-6,0 ГПа , 110-140 ГПа; - область адгезионного взаимодействия материалов шеек с материалом покрытия: для чугуна ВЧ50 – 150-160 ГПа, 5,5-6,0 ГПа; для сталь 45 – 190-210 ГПа, 9 - 10 ГПа; 2) глубина внедрения индентора для зон уколов составляла 2,5 - 5,3 мкм, что свидетельствовало о достаточной неоднородности слоев. В соответствии с полученными данными предположительно: - области № 1, 2 образованы механическими смесями (галлий + индий) с (олово + медь); - область № 3 упрочненная медь, что обусловлено увеличением модуля упругости с 100 ГПа, ис- ходных для бронзы БРОФ4-0,25, до выявленных 110 - 140 ГПа. На схемах характер распределения значений анализируемых величин приведен как вариант ото- бражения наличия выявленных областей. После испытаний распределение областей стало таким, что в основном осталась область № 1 и № 3. Значения микротвердости и модуля упругости по отношению к исходным уменьшились: микро- твердость (4,5 - 6,0 ГПа)→ (3,0 - 4,3 ГПа); модуль упругости (110 - 140 ГПа) → (90 - 110ГПа). Отсутствие области № 2, а также снижение значений рассматриваемых величин предопределяет изменение состава образовавшейся при трении структуры и ее свойств. Выводы Получены комплексные схемы изменения механических характеристик - модуля упругости, мик- ротвердости контактных слоев материалов шеек (сталь 45, чугун ВЧ50), антифрикционного сплава вкла- дыша АО20-1, покрытия на шейке (бронза БрОФ4-0,25, компоненты галлиево-индиевой среды). Выявлены изменения в анализируемых слоях, которые обусловлены влиянием галлиево- индиевой среды на характер протекания как адгезионных, так и когезионных процессов, связанных с пе- рераспределением энергий взаимодействия между элементами кристаллических решеток материалов. Такое состояние может создать предпосылки к более интенсивному протеканию процессов индивиду- ального структурирования взаимодействующих материалов без накопления дефектов, приводящих к раз- рушению поверхностного слоя. Литература 1. Справочник по триботехнике: в 3-х т. Т.1 Теоретические основы / Под общ. ред. М. Хебды, А.В. Чичиназдзе. – М.: Машиностроение, 1989. – 400 с. 2. Кубич В.И. Топография поверхностей элементов трибосопряжений энергетических машин / В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко, В.И. Закиев // Вестник двигателестроения. – № 1. – 2011. – С. 8-14. 3. Кубич В.И. Износостойкость деталей трибосопряжения «шейка-вкладыш» с медьсодержащи- ми покрытиями / В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко // Проблемы трибологии. – №2 (60). – 2011. – С. 103-110. 4. Кубич В.И. К методике разработки цикла испытания трибосопряжения «шейка-покрытие- вкладыш»/В.И. Кубич, Л.И. Ивщенко // «Ольвійський форум-2011: стратегії України в геополітичному просторі»: тези. – Миколаїв: Вид-во ЧДУ ім. Петра Могили, 2011. – Том II. – С. 35-37. 5. Игнатович, С.Р. Аппаратурный комплекс для микро- и нанотестирования поверхности мате- риалов и покрытий / С.Р. Игнатович, В.Н. Шмаров, И.М. Закиев // Технологические системы. – 2009. – №5(49). – С. 72-78 6. Кубич В.И. Металлографический анализ приповерхностных слоев подложек образцов шеек коленчатых валов ДВС / В.И. Кубич // «Тиждень науки-2011» - збірник тез науково-практичної конфере- нції. Т.1 – Запоріжжя: ЗНТУ, 2011. – С184-185. Надійшла 10.11.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com