9_Tsibanev.doc Управление свойствами поверхностей трения при приработке дискретных покрытий в условиях фреттинга Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 52 Цыбанев Г.В.,* Марчук В.Е.,** Калиниченко В.И.* *Институт проблем прочности **Национальный авиационный университет УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПРИ ПРИРАБОТКЕ ДИСКРЕТНЫХ ПОКРЫТИЙ В УСЛОВИЯХ ФРЕТТИНГА Общая постановка вопроса Одной из основных проблем в машиностроении является обеспечение необходимого качества узлов трения, которое достигается проведением технологической приработки изделий. Значение прира- ботки особенно велико для ответственных и тяжело-нагруженных трибосопряжений, работающих в ус- ловиях ограниченной подачи смазочного материала, высоких значений нагрузок, скоростей и температур. Выбор оптимальных режимов работы узлов трения в период приработки обеспечиваются необ- ходимыми параметрами микрорельефа, площадью фактического контакта, свойствами поверхностного слоя, а также зависит от материалов трибосопряжений и состава смазочной среды. Изменение данных параметров, материалов и среды в каждом конкретном случае по-разному влияет на переход к процессу стабильной воспроизводимости параметров поверхностного слоя. Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем Контактирование при внешнем трении, а также и в процессе приработки, характеризуется дис- кретной природой взаимодействия трущихся поверхностей, обусловленным остаточным формоизмене- нием микронеровностей, образованием углублений, отделением продуктов изнашивания, изменением структуры, химического состава и физических свойств материала контактирующих поверхностей в ре- жиме постепенного изменения уровня внешних нагрузочных воздействий. Образованные углубления, сформированные в процессе приработки, служат средством увеличе- ния поверхностной микрокапиллярности, способствующей лучшему удержанию смазочного материала. Это обеспечивает повышение фретингостойкости трибосопряжений за счет того, что, во-первых, микровпадины представляют собой микрорезервуары, которые являются источником регенерации граничных смазочных слоев, а во-вторых – в эти микровпадины попадают продукты изнашивания [1]. В работе [2] было предложено разделить профили углублений на два типа: мелкие каверны в ви- де блюдец и маленькие глубокие отверстия. Первый тип углублений возникает тогда, когда абразивные продукты фреттинга проникают за пределы области начального повреждения, продолжая абразивную об- работку на соседнем участке и делая именно разрушение менее интенсивным. Углубления второго типа возникают в случае задержки продуктов износа в месте их образования, которое приводит к локаль- ному абразивному действию. Это может быть следствием местного повышения давления, что из расчета превышал в четыре раза предел прочности. Очевидно, подобные повреждения поверхности могут быть источниками начальной усталостной трещины. Для повышения усталостной прочности деталей, которые работают в условиях фретинг- изнашивания, был предложен эффективный метод уменьшения концентрации напряжений болтового соединения, которое заключается в нанесении сетки канавок определенной глубины на поверхность для защиты от разрушения. В результате долговечность болтового соединения в условиях фретинг- изнашивания увеличилась в три раза [3]. Влияние канавок является основной причиной того, что шероховатая поверхность имеет более высокую усталостную прочность при фретинге, чем гладкая. Фретинг в этом случае происходит на вы- ступах шероховатости, которые не поддаются переменным напряжениям, действующих в материале. Проточка канавки снижает концентрацию напряжений в месте "фретинга", но создает концен- трацию напряжений у ее дна. Вытачивание должно быть сконструировано таким образом, чтобы был достигнут оптимальный баланс этих двух эффектов [4]. Все эти исследования говорят о перспективности дискретных структур для защиты от фретинга и обеспечения увеличения ресурса и долговечности узлов трения, работающих в экстремальных услови- ях эксплуатации. Особое значение в этом процессе играют приработочные процессы, которые относятся к нестационарным и поэтому слабо изучены. Установление принципиальных закономерностей и взаимо- связей триботехнических параметров процесса приработки и нахождения на этой основе приемов управ- ления ими в условиях фреттинг-изнашивания – одна из основных задач трибологии. Целью работы является исследование влияния дискретности трибоконтакта на приработочный процесс в условиях фреттинга. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Управление свойствами поверхностей трения при приработке дискретных покрытий в условиях фреттинга Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 53 Методика экспериментальных исследований Испытания на изнашивание в условиях фреттинга проводились на установке МФК-1 на образ- цах, изготовленных в соответствии c ГОСТ 23.211-80 при следующих параметрах виброконтактной нагруз- ки: удельная нагрузка – P = 20 МПа; амплитуда относительного перемещения образцов – A = 87,5 мкм; частота колебаний – f = 25 Гц; база испытаний – N = 105 циклов. Конструкция и принцип работы уста- новки МФК-1 описан в работе [5]. В процессе испытаний измерялся момент трения и определялся ко- эффициент трения в зависимости от количества циклов виброконтактной нагрузки. Для изготовления образцов, на поверхности которых формировались микроуглубления, ис- пользовалась сталь 30 ХГСА. В качестве материала контробразцов – сталь 45, термически обработан- ная до твердости HRC 52–54. Образцы изготовлялись из стали 30ХГСА в состоянии поставки без до- полнительной термической обработки, что имело целью установить наличие эффекта образованных на поверхности микроуглублений на триботехнические характеристики при наиболее неблагоприятной - с точки зрения износостойкости - твердости материала образцов, а соответственно и условий сохране- ния в процессе изнашивания сформированных микроуглублений. Рабочая поверхность образцов и контробразцов шлифовалась до Ra = 0,32 мкм. Микроуглуб- ления формировались на плоской торцевой поверхности образцов путем пластической деформации материала при динамическом действия индентора с помощью специального устройства [6], который позволяет регулировать, в зависимости от хода головки индентора, глубину и диаметр лунок, а также расстояние в ряду между лунками и расстояние между рядами лунок. Для испытаний были подготовлены две партии образцов с параметрами дискретной поверхно- сти, которыеприведены в табл. Таблица Параметры сформированной дискретной поверхности образцов № образца Расстояние между рядами лунок, мкм Расстояние между лунками в ряду, мкм Ход головки индентора (глубина лунок), мкм 1 200 200 100 2 200 200 150 Испытания проводились в среде масла ЦИАТИМ-201 в условиях граничного трения. Как базо- вые варианты для сравнения в таких же условиях смазки испытались образцы с шлифуемыми рабочими поверхностями без микроуглублений, а также образцы с шлифуемыми рабочими поверхностями при от- сутствии смазочного материала. Величина изнашивания определялась весовым методом как разница между начальным весом образцов и весом образцов после испытания. Для удаления остатков смазочного материала и продуктов изнашивания образцы после испытаний тщательным образом промывались в бензине Б-1 и просушивались. Результаты экспериментальных исследований и их анализ Процесс приработки прослеживался по изменению коэффициента трения. Кривые изменения ко- эффициента трения дискретных поверхностей от количества циклов при фреттинге представлены на рис. 1. Анализ кривых показал, что изменение коэффициента трения в процессе приработки по мере на- работки циклов нагружения носит немонотонный характер и зависит от геометрических параметров лу- нок на поверхности трибоконтакта. Так при первых циклах нагружения коэффициент трения резко воз- растает, проходит через максимум, а затем с увеличением количества циклов нагружения резко падает, оставаясь далее постоянным. Такая тенденция поведения коэффициента трения коррелируется с данны- ми, полученными в более ранних исследованиях [7]. Сравнительная оценка изменения значений коэффициентов трения по мере увеличения количе- ства циклов нагружения позволило выделить три характерных периода приработки контактирующих поверхностей при фреттинге. Первый период обусловлен максимальными значениями коэффициента трения. Для всех по- верхностей в этом периоде характерно кратковременное резкое возрастание коэффициента трения на первых циклах нагружения и дальнейшее резкое его снижение. Наибольший скачок коэффициента тре- ния 0,52 проявляется на исходной поверхности (без лунок). Это связано с нарушением сплошности мас- ляной пленки в зазоре трибосопряжения и преобладание в большей степени абразивных процессов, что приводит к высоким значениям интенсивности изнашивания. Исследования показали [1], что на участках фактического контакта в результате разрушений возникают раковины, микроуглубления с размерами от 10 до 80 мкм. Это процессы связаны с локальным абразивным действием продуктов износа и усталостно- го разрыхления металла, усугубленное химической активизацией поверхности трения. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Управление свойствами поверхностей трения при приработке дискретных покрытий в условиях фреттинга Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 54 Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от количества циклов фреттинга: 1 – без лунок при трении без смазочных материалов; 2 – без лунок в условиях граничного трения; 3 – дискретная поверхность с параметрами лунок образца № 1; 4 – дискретная поверхность с параметрами лунок образца № 2 Для дискретных поверхностей этот скачок коэффициента трения лежит в пределах 0,25 - 0,28 (в зависимости от геометрических параметров лунок), что на 57 - 62 % меньше, по сравнению с исходной поверхностью. Кроме того, дискретные поверхности в виде лунок, по сравнению с исходной поверх- ностью, превышают их по износостойкости в 1,8 - 2,44 раза [1]. Высокие триботехнические характе- ристики дискретных поверхностей связаны с тем, что лунки представляют собой резервуары для по- падания продуктов изнашивания, которые обеспечивают стимулирование трибохимических процес- сов за счет постоянного их удаления с поверхности трения. Также лунки являются резервуарами для удерживания смазочного материала, которое используется в случаях смазочного голодания контакти- рующих поверхностей. На втором периоде приработки отмечается заметное улучшение условий трения и изнашивания. Масляная пленка между разделяющими поверхностями постепенно восстанавливается, значения коэф- фициента трения уменьшается менее интенсивно. Разница значений коэффициента трения между исход- ной поверхностью (0,25 - 0,28) и дискретными (0,2 - 0,22 … 0,18 - 0,2) составляет 64 – 80 %. Третий период приработки характеризуется стабилизацией коэффициента трения, что свиде- тельствует о нормальном механо-химическом износе поверхностей трения и окончания процесса прира- ботки. Результаты численного расчета Для детального анализа процессов, происходящих в трибоконтакте, а также влияния напряжен- но-деформированного состояния и температуры контактирующих поверхностей на процессы трения и изнашивания было осуществлено моделирование процесса контактирования поверхности контртела с дискретной поверхностью. К поверхности модели прикладывались нормальные и касательные нагрузки, которые приближенно отвечают тем силам, которые действуют в направлении вращения контртела и си- лам давления по нормали. А также температурные составляющие, которые возникают в результате тре- ния между поверхностями контакта. Вся модель разбита на гексагональные конечные элементы (количе- ство узлов 37727, элементов 14478), а ее основа жестко закреплена в координатных плоскостях (рис. 2, а). На рис. 2, б показан увеличенный вид разбивки поверхности образца с лунками на конечные элементы. а б Рис. 2 – Конечно элементная модель с прилагаемыми касательными и нормальными нагрузками и закреплениями в основе (а), и увеличенный вид поверхности с лунками (б) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Управление свойствами поверхностей трения при приработке дискретных покрытий в условиях фреттинга Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 55 Расчет проводился в несколько этапов. На первом этапе было определено температурное распре- деление по объему модели за определенный период времени, где максимальная температура на поверх- ности достигла почти 100 °С (рис. 3, а, б, в, г). Температурное распределение получили путем задания конвекционного потока по поверхности модели в области контакта образца с контртелом. а б в г Рис. 3 ‒ Распределение температурного поля образца в разных временных интервалах: t = 0,1 c (а); t = 0,2 c (б); t = 0,78 c (с); t = 98 c (г) На рис. 4. показан график изменения температуры во времени при действии нормальной и каса- тельной составляющих нагрузки в процессе трения дискретной поверхности. Характер распределения температуры на поверхности образца и по его глубине практически одинаков. Разброс температур со- ставляет 4 - 10 °С. Наибольшая температура наблюдается в зоне трибоконтакта (кривая 1) возле лунок и составляет 30 - 95 °С в зависимости от временного интервала. В процессе трения температура отводится в луночное пространство и далее в глубь материала образца. Разность температур в лунке и на поверхно- сти трибоконтакта обеспечивает постоянный отвод тепла из зоны трения. Градиент температур приводит к возрастанию напряженно-деформированного состояния на поверхности трибоконтакта (рис. 5), что яв- ляется следствием неустановившегося режима трения и высоких значений коэффициента трения. Это со- ответствует первому периоду приработки. Рис. 4 ‒ Распределение температуры на дискретной поверхности образца в зависимости от времени: 1 ‒ изменение температуры на поверхности между лунками; 2 ‒ изменение температуры в лунке; 3 ‒ изменение температуры у основания образца лунка PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Управление свойствами поверхностей трения при приработке дискретных покрытий в условиях фреттинга Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 56 а б Рис. 5 – Напряженно-деформированное состояние дискретной поверхности в первом периоде приработки: а – распределение эквивалентных напряжений в образце по Мизесу (σэкв) вдоль оси Х на поверхности дискретного покрытия при воздействии силовой и температурной нагрузки; б – график распределения приведенных напряжений вдоль образца с максимальным значениями напряжений в межлуночном пространстве (σекв/σмах – отношение текущего эквивалентного напряжения в образце по Мизесу к максимальному; D – диаметр образца) С увеличением температуры прогрев образца становится более равномерным, т.е. разница тем- ператур на его поверхности и у основания устанавливается минимальной (рис. 6). Термические напря- жения в образце при установившейся температуре уменьшаются, поскольку нет существенного перепада температур между его поверхностью и основанием. Это приводит к уменьшению коэффициента трения, что соответствует второму и далее третьему периодам приработки. а б Рис. 6 ‒ Распределение температуры по глубине образца для разных временных интервалов: а – графическое представление результатов; б – точки, по которым проводились исследования Для определения напряженного состояния модели было взято за основу распределение темпера- турного поля образца в последний временной интервал t=98c, исходя из тех рассуждений, что повыше- ние температуры больше не происходит при заданном постоянном нагружении. Как видно из рис. 5, а, максимальные напряжения возникают в зоне закрепления образца, но они минимальны и не могут суще- ственно влиять на поверхность с лунками. Данный тип модификации поверхности в виде лунок, за счет отсутствия значительных остаточных напряжений, имеет преимущества по сравнению с покрытиями, для которых характерны разные коэффициенты температурного расширения материала основы и покрытия. На поверхности образца напряжения распределились в виде островков с максимальными значениями около краев лунок (рис. 5). Наплывами, которые возникают при создании луночного покрытия, при рас- чете пренебрегаем, поскольку их площадь, по сравнению с площадью контакта образца и конттртела, ми- зерно мала, а на стадии приработки они исчезают. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Управление свойствами поверхностей трения при приработке дискретных покрытий в условиях фреттинга Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 57 Выводы 1. Установлено три периода приработки. Изменение коэффициента трения в процессе приработ- ки по мере увеличения числа циклов нагружения носит немонотонный характер и зависит от геометриче- ских параметров лунок на поверхности трибоконтакта. 2. Высокие триботехнические характеристики дискретных поверхностей связаны с тем, что лунки представляют собой резервуары для попадания продуктов изнашивания, которые обеспечивают стимулирование трибохимических процессов за счет постоянного их удаления с поверхности трения. Эти процессы приводят к уменьшению коэффициента трения на 57-62% по сравнению с исходной по- верхностью. Кроме того лунки являются резервуарами для удерживания смазочного материала, кото- рое используется в случаях смазочного голодания контактирующих поверхностей. 3. Луночное пространство обеспечивает эффективный отвод тепла с поверхности трибокон- такта, что приводит к снижению напряженно-деформированного состояния. 4. Наличие граничной смазки и ее отсутствие в трибосопряжении не влияет на общую тенден- цию изменения коэффициентов трения в процессе приработки. 5. Применение дискретных покрытий с различными параметрами их нанесения позволяет управлять процессами в трибоконтакте при приработке в условиях фреттинга путем влияния на процес- сы трения и изнашивания. Литература 1. Марчук В.Є. Зносостійкість дискретних поверхонь в умовах фретинг-зношування // Вісник НАУ. – К.: Вид-во нац. авіац. ун-ту “НАУ-друк”, 2010. – Вип. 2 (43). - С. 40-45. 2. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг-коррозия. – Л.: Машиностроение, 1976. – 272 с. 3. Вахтель В.Ю. Повышение усталостной прочности деталей, работающих в условиях контакт- ной коррозии трения // Вестник машиностроения. – 1969. – №2. 4. Heywood R.B. Designing against fatigue //Chapman and Hall. – London. – 1962. 5. Голего Н.Л., Алябьев А.Я., Шевеля В.В. Фреттинг-коррозия металлов. – К.: Техніка, 1974. – 272 с. 6. Пат. Україна, F01L 1/20, F01L 1/46. Пристрій для утворення на плоскій поверхні тертя рельєфу заглибин, що утримують мастильні матеріали / Марчук В. Є., Шульга І. Ф., Шульга О. І., Плюснін О. Є. (Україна); НАОУ. – № 13762; Заявл. 24.10.2005; Опубл. 17.04.2006. Бюл. №4. 7. Марчук В.Є., Духота О.І., Градиський Ю.О., Єнін О.М. Фретингостійкість дискретних повер- хонь в умовах граничного тертя // Вісник Харківського НТУСГ ім. Петра Василенка. – Харків: Вид-во Харківського НТУСГ ім. Петра Василенка, 2010. – Вип. 100. – С. 147-152. Надійшла 11.11.2010 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com