9_Pisarenko_1.doc Аналіз процесів тертя при високих швидкостях ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 59 Писаренко В.Г.,* Медведчук Н.К.,** *КНВО "Форт" МВС України, м. Вінниця, Україна, **Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ ТЕРТЯ ПРИ ВИСОКИХ ШВИДКОСТЯХ КОВЗАННЯ УДК 621.891 На основі проведеного аналізу критеріїв високошвидкісного тертя запропонований спосіб оцінки ефектив- ності технологій підвищення зносостійкості на основі аналізу функціональних залежностей коефіцієнту тертя від швидкості ковзання. Наведені приклади експериментальної реалізації запропонованого підходу для різних способів зміцнення поверхонь сталевих зразків. Ключові слова: швидкість ковзання, коефіцієнт тертя, машина тертя Високошвидкісне тертя, змащування та знос [1] Результатом контактної взаємодії вузлів, що труться із великими швидкостями ковзання, є силь- ний нагрів зони тертя. Внаслідок неминучого при нагріві зниження твердості матеріалів зростає площа фактичного контакту, а отже, і тертя. Згідно законів хімії швидкості протікання реакцій різко зростають з нагрівом. Тобто при високошвідкісному (гарячому) терті контактують не вихідні матеріали, а зовсім нові, вторинні структури. Наприклад, при сильному нагріві в повітрі, молібден може покритися твердим оксидом, що діє подібно до наждачного паперу. При сильному нагріві у вакуумі той же молібден значно змінює структуру гратки, внаслідок чого коефіцієнт тертя стрибком зростає у декілька разів. Структурні переходи, пов'язані з перебудовою кристалічної гратки металів та супроводжуються стрибкоподібною зміною коефіцієнта тертя пояснюються тонкою фізичною природою процесів тертя і змащування. Таким переходом володіє, наприклад, метал кобальт, вживаний у вигляді тонкого змащувально- го покриття. При нагріві понад 400 °С новий тип кристалічної гратки кобальту стає несприятливим для легкого прослизання мікрошарів цього металу і його змащувальна дія різко погіршується. Але таке яви- ще зворотне: досить знову охолодити кобальт, як його структура, а разом з нею і мастильне середовище тут же відновлюються. Збільшення тертя при високій температурі зв'язане і з явищем дифузії, що полягає у взаємному проникненні атомів контактуючих тіл. Інтенсивна дифузія, викликана нагрівом і сильною деформацією, може привести до спікання, абсолютно не допустимого при роботі вузлів тертя. У ряді поширених змащувальних матеріалів працездатність із зростанням температури лише по- кращується. Наприклад, тертя графіту по металу плавно знижується і при більш високому нагріві до 1000 °С, а для таких металів, як золото, срібло і мідь і при більш високій температурі. Причина цього криється в особливій шаруватій будові графіту. При сильному нагріві і без того ослаблений зв'язок між шарами стає ще менш міцним, що підсилює змащувальну дію. Гранична дія нагріву полягає в розплавленні поверхневого шару одного з тіл, що труться. Тоді зовнішнє тертя переходить у внутрішнє, що описується гідродинамічною теорією масел. Основний вплив на змащуючі властивості матеріалів при високих температурах є розм'якшення матеріалів, їх вимушене окислення, структурні зміни в кристалічній гратці, а також дифузія, сприяюча у ряді випадків адгезії і схоплюванню. Але більшість цих явищ зовсім не впливають на тертя однозначно. Наприклад, окислення в одному випадку покращує змащування, а в іншому - викликає інтенсивне зно- шування. Деталі, складові пари тертя, при сильному нагріві розширюються неоднаково, що приводить до небезпечного збільшення зазорів або, навпаки, заклинювання деталей. Все це створює для конструкторів додаткові труднощі. Складність і різноманіття явищ при високошвидкісному гарячому терті настільки великі, що ви- сокотемпературні мастила створюються до цих пір в основному дослідним шляхом. Основним шляхом тут є виготовлення різних сумішей, де керамічна або металокерамічна основа поєднуються більш менш вдало з термостійким змащувальним агентом: наприклад, кобальто - нікельова основа заповнюється тим же молібденітом. Цей матеріал зберігає працездатність у вакуумі при нагріві до 900 °С. Поряд з теплостійкими матеріалами, що самозмащуються, розрахованими на тривалий ресурс, широко використовуються високотемпературні змащувальні покриття, завдання яких - забезпечити од- норазове спрацьовування або короткочасну дію механізму. Найбільш прості з таких покриттів – плівки з м'яких металів, що мають, відносно високу температуру плавлення. При цьому високою змащувальною дією володіє срібло, яке широко використовується за кордоном, наприклад, для змащування опор буро- Аналіз процесів тертя при високих швидкостях ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 60 вих доліт. Товщина таких покриттів складає зазвичай всього декілька мікрометрів. Металеві плівки за- стосовуються, як правило, для порівняно невеликих навантажень. Останніми роками все більшого поширення набуває іонне легування поверхонь ковзання, засно- ване на бомбардуванні їх прискореними до великих енергій іонами азоту, свинцю, олова, бору і інших елементів, що у ряді випадків приводить не лише до підвищення термостійкості поверхні контакту, але і до десятиразового зростання їх зносостійкості при роботі у відкритому космосі. Однією з причин такого явища служить "лікування" поверхневих мікротріщин, що пов'язане, у свою чергу з дією поглинутих час- ток. Отже розглядаючи проблему тертя при швидкостях в сотні метрів в секунду, що майже немину- че супроводжується сильним нагрівом поверхонь, слід зазначити, що ця проблема обумовлена, в першу чергу, загальним прогресом сучасної техніки із застосуванням високих швидкостей ковзання. Аналіз впливу високих швидкостей тертя на процеси зношування Тертя твердих тіл при високих швидкостях ковзання є граничним випадком зовнішнього тертя. Для оцінювання умов роботи тіл, що труться у високошвидкісних установках і вузлах тертя використо- вується декілька узагальнених критеріїв – число Пекле, число Фур’є та коефіцієнт взаємного перекриття [2]. Число Пекле у випадку повністю насиченого контакту дорівнює: a vl Pe = , (1) де v – швидкість ковзання; l – довжина контактної зони двох тіл в напрямку ковзання; a – коефіцієнт температуропровідності. Збільшення числа Пекле відбувається з ростом швидкості ковзання і довжини контактної площа- дки, або з насищенням фрикційного контакту, пов’язаним із збільшенням питомого навантаження або розігрівом поверхонь, які труться. Число Фур’є представляє безрозмірний час: 2b at Fo = , (2) де t – час; b – товщина елемента пари тертя. Числа Фур’є для окремих елементів пар тертя однієї установки в даний момент високошвидкіс- ного тертя – різні. Автори [3] стверджують, що у зв’язку з тим, що механічні властивості і температура плавлення матеріалу елемента, що ковзає суттєво менші механічних властивостей і температури плавлення контр- тіла, то процес зношування відбувається шляхом перенесення (намащування) тонких поверхневих шарів елемента, що ковзає на контртіло. В умовах високих швидкостей ковзання температура поверхні тертя може бути близькою до те- мператури плавлення тіл тертя або досягати її. В результаті цього в шарах, які прилягають до меж конта- кту відбуваються інтенсивні пластичні деформації, а в окремих точках фактичної площі контакту вини- кають локальні осередки оплавлення елементів, що ковзають [4, 5]. Таким чином, знос поверхні тертя зумовлено втратою механічних властивостей, великою адгезі- єю і переносом сильно нагрітих і оплавлених тонких поверхневих шарів. Суттєву роль в процесах виникнення та накопичення трибопошкоджень відіграють динамічні процеси, які виникають в області контакту тіл тертя при високих швидкостях ковзання. На межах фрик- ційного контакту виникають динамічні ефекти, обумовлені технологічними особливостями виготовлен- ня, характером прикладення навантажень, температурними коливаннями навколишнього середовища, деформуванням та зносом поверхонь. Наслідком динамічних ефектів є суттєва зміна величини питомих навантажень в зоні контактування. Однією з характеристик, що безпосередньо впливає на протікання процесів зношування є коефі- цієнт тертя. Особливістю процесів зношування, що відбуваються в умовах високошвидкісного тертя є ефект значного зменшення коефіцієнта тертя з ростом швидкості взаємного переміщення тіл тертя. Аналіз процесів тертя при високих швидкостях ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 61 В зв’язку з цим, вивчення явищ пов’язаних з визначенням залежності коефіцієнта тертя від шви- дкості ковзання для стрілецького та артилерійського озброєння приділялось достатньо уваги [3]. В роботах Г Грече та Е. Плаке пропонувалась емпірична залежність коефіцієнта тертя від швид- кості ковзання в каналі ствола: v v ff 1 1 0 1 1 β+ α+ = , (3) де 0f – значення коефіцієнта тертя при 0=ν ; 0217,01 =α – емпіричний коефіцієнт; 132,01 =β – емпіричний коефіцієнт. Слід зазначити, що дана залежність не може бути використана для всіх видів стрілецької зброї, так як коефіцієнти будуть залежати від великої кількості факторів, які треба враховувати в кожному кон- кретному випадку. Зменшення коефіцієнта тертя при високих швидкостях пояснюється розмягшенням і розплав- ленням матеріалу в зоні фрикційного контакту. Навіть у зразків такого крихкого матеріалу, як скло, по- верхня тертя має сліди термічного розмягшення і течії. Чим нижча температура плавлення матеріалу в поєднанні з низькою теплопровідністю, тим швидше проходить оплавлення і тим нижче коефіцієнт тер- тя. Досліди Ф. Боудена, Е. Фрейтага, П. Персона показали, що у зразків з таких матеріалів, як вісмут, сурма, свинець і олово, оплавлення починалось на протязі дуже короткого проміжку часу з моменту по- чатку тертя. Слід відмітити, що для даних матеріалів при швидкості ковзання більше 450 м/с, спостеріга- ли ріст коефіцієнта тертя. Збільшення коефіцієнта тертя з ростом швидкості пояснюється швидким збі- льшенням площадки фактичного контакту при оплавлені відносно великих об’ємів матеріалу на поверх- невих шарах. Результати дослідження високошвидкісного тертя полімерних матеріалів свідчать, що як і для металічних матеріалів, відбувається зменшення коефіцієнту тертя з ростом швидкості ковзання, однак абсолютні значення коефіцієнтів тертя у них вищі. Для металічних матеріалів в поверхневих шарах спостерігалися структурні зміни і фазові пере- творення. Зменшення коефіцієнта тертя з ростом швидкості пов'язується з інтенсивним нагрівом і знемі- цненням поверхневих шарів. При цьому відбувається руйнування адсорбованих плавок, зближення пове- рхонь, виникнення та розвиток пластичної деформації. У легкоплавких матеріалів, таких як вісмут, олово, свинець при швидкостях до 100 м/с зношена поверхня мала гладкий блискучий вигляд, що вказує на пружнопластичний характер деформацій в зоні тертя. При швидкостях до 200 м/с спостерігається поява частинок зносу менше 1 мкм. При швидкостях більше 200 м/с спостерігається поява пластичних деформацій в повернених шарах. Металографічні дослідження [1] поверхневих шарів частин, що труться показали значні зміни структури в поверхневих шарах. Поверхні тертя мають сліди великих пластичних деформацій. Метал по- верхневих шарів веде себе як матеріал з високою пластичністю та в’язкістю. Аналіз впливу навантаженого стану фрикційного контакту на зміну коефіцієнта тертя при висо- ких швидкостях ковзання показує, що з ростом питомих навантажень [61] коефіцієнт тертя падає. Із збільшенням абсолютної величини зближення контактуючих поверхонь збільшується степінь передеформування поверхневих шарів ковзаючого елемента, а відповідно, і інтенсивність теплоутворення. Якщо максимум температури спостерігається в шарі, розміщеному на деякій глибині від поверх- ні тертя ковзаючого елемента, то сили адгезії на границі контакту можуть перевищити міцність основно- го матеріалу в цьому шарі і нагріті частинки будуть переноситися на контртіло. Таке явище спостеріга- ється в експериментах по дослідженню тертя та зношування твердих тіл при високих швидкостях ков- зання. Процес масопереносу нагрітих частинок, на жаль, не враховується існуючими теоретичними зале- жностями. На основі аналізу теплофізичних процесів в області контакту при високошвидкісному терті ав- торами [1] запропоновано комплекс безрозмірних параметрів, які дозволяють оцінити відносну зносо- стійкість матеріалів і пояснити ряд експериментальних даних отриманих в умовах високих швидкостей ковзання. Автори [1] пов'язують зносостійкість з опором матеріалів до оплавлення в конкретному вузлі те- ртя з заданим режимом роботи: питомим навантаженням, швидкістю ковзання та питомим тепловиділен- ням. Прийнято, що контртіло є абсолютно жорстке, а поверхневі шари ковзаючого елемента деформує- мими і оплавляємими. Аналіз процесів тертя при високих швидкостях ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 62 В результаті аналізу факторів, які впливають на пружно - деформований стан трибосистем, про- цесів накопичення пошкоджень та їх впливу на процеси зношування встановлено, що в якості критерію оцінки ефективності використання матеріалів, технологічних процесів нанесення покриттів, термооброб- ки та інших способів підвищення зносостійкості можна використати швидкість зміни коефіцієнта тертя. Методика та результати випробувань при високошвидкісному терті Випробування проводились за схемою "диск - палець" (рис. 4.3) на машині тертя УМТ-1. Диск діаметром 400 мм виготовлявся зі сталі 40Х і шліфувався до параметру шорсткості Ra = 0,63мкм. Диск використовувався як контрзразок. До диска із заданим зусиллям 10 Н притискались цилі- ндричні зразки розмірами 12 × 6 мм. Диск разово змащувався тонким шаром гліцеринового масла. Диск встановлювався на шпинделі установки, центрувався і приводився у обертання з максимальною часто- тою 3000 об/хв. 120...190 n = 300...3000 об/хв диск сталь 40Х 12 0, 63 6 палець Рис. 1 – Схема випробувань "диск - палець" Максимальна лінійна швидкість ковзання при випробуваннях визначалась за залежністю: м/с6030/19,0300030/ ≈⋅⋅π=π= nRV . Нижчі значення швидкості ковзання встановлювались зменшенням радіусу встановлення зразків або зменшенням частоти обертання диску. Коефіцієнт тертя визначався для швидкостей ковзання відпо- відно 5; 10; 20; 40; 60 м/с. Коефіцієнт тертя вимірювався за моментом тертя, який фіксувався потенціометром на пульті ке- рування від датчика моменту. Коефіцієнт тертя визначався за формулою: NMRf /= , де M – момент тертя, Нм; R – радіус встановлення зразків, м; N – сила притискання зразків до диску. Результати випробувань фрикційних властивостей досліджуваних зразків, модифікованих різни- ми методами хіміко - термічної обробки, наведені нижче. Таблиця 1 Результати трибологічних випробувань Швидкість ковзання, м/с 5 10 20 40 60 Сталь Ст 3 (азотування) 0,2 0,1 0,065 0,04 0,03 Сталь 40Х (азотування) 0,2 0,088 0,058 0,035 0,026 Сталь Ст 3 (комбінована хіміко - термічна обробка) 0,22 0,083 0,053 0,03 0,022 Матеріал Сталь 20 Х (нітроцементація) 0,22 0,07 0,04 0,028 0,024 Матеріал Сталь 40Х (комбінована хіміко - термічна обробка) 0,2 0,1 0,065 0,04 0,03 Аналіз процесів тертя при високих швидкостях ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 63 Графічна інтерпретація результатів випробувань наведена на рис. 2. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 10 20 30 40 50 60 70 Швидкість ковзання, м/с Ко еф іц іє нт т ер тя Ст3(А) 40Х(А) Ст3(ХТО) 20Х(Нц) 40Х(ХТО) Рис. 2 – Результати випробувань зразків матеріалів при високошвидкісному терті Аналіз отриманих результатів показав наступне. У всьому діапазоні досліджуваних швидкостей ковзання спостерігалось стійке зменшення кое- фіцієнту тертя від швидкості від значень 0,2 (граничне, напівсухе тертя) до 0,02 (тертя через рідинну плі- вку), тобто майже на порядок. Для деяких матеріалів (40Х(ХТО); 20Х(Нц)) мала місце стабілізація низьких значень коефіцієнту тертя, починаючи з 40 … 50 м/с. Висновок Експериментальні дослідження залежності коефіцієнту тертя від швидкості ковзання, підтверди- ли факт зменшення значень коефіцієнту тертя від швидкості ковзання та можливість оцінювання ефек- тивності різних технологій поверхневої обробки шляхом оцінювання функціональних залежностей кое- фіцієнту тертя. Література 1. http://treniye.ru/goryachee-trenie 2. Балакин, В. А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения [Текст] / В. А. Балакин. – М. : Машиностроение, 1980. – 136 с. 3. Montgomery, R. S. Muzzle wear of cannon [Тext] / R. S. Montgomery // Wear. – 1975. – V. 33. – N 2. – P. 359-368. 4. Боуден, Ф. П. Трение и смазка твердых тел [Текст] / Ф. П. Боуден, Д. Тейбор. – М. : Машиностроение, 1968. – 543 с. 5. Сидоренко, Г. С. Исследование микроструктуры поверхностных слоев образцов, испытанных при кратковременном трении на скоростях скольжения 200-350 м/с. [Текст] / Г. С. Сидоренко, З. В. Игна- тьева, В. А. Балакин // Тепловая динамика трения. – М. : Наука, 1970. – С. 146-150. Надійшла в редакцію 01.12.2014 http://treniye.ru/goryachee-trenie Аналіз процесів тертя при високих швидкостях ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 64 Pisarenko V.G., Medvedchuk N. K. Analysis of processes of friction at high-rate of sliding. On the basis of the conducted analysis of criteria of high-speed friction the offered method of estimation of effi- ciency of technologies of increase of wearproofness is on the basis of analysis of functional dependences the coefficient of friction from speed of sliding. The examples of experimental realization offered approach are resulted for the different meth- ods of strengthening of surfaces of steel standards. Key words: sliding speed, coefficient of friction, machine of friction . References 1. http://treniye.ru/goryachee-trenie 2. Balakin V. A. Trenie i iznos pri vysokih skorostyah skol'zheniya. M. Mashinostroenie, 1980. 136 p. 3. Montgomery, R. S. Muzzle wear of cannon. Wear. 1975. V. 33. No 2. pp. 359-368. 4. Bouden F. P., Tejbor D. Trenie i smazka tverdyh tel. M. Mashinostroenie, 1968. 543 p. 5. Sidorenko G. S., Ignat'eva Z. V., Balakin V. A. Issledovanie mikrostruktury poverhnostnyh sloev obrazcov, ispytannyh pri kratkovremennom trenii na skorostyah skol'zheniya 200-350 m/s. Teplovaya dinamika treniya. M. Nauka, 1970. pp. 146-150. http://treniye.ru/goryachee-trenie