18.doc Вплив виду шліфування на параметри шорсткості та трибологічні характеристики оксидокерамічних шарів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 1 116 Похмурский В.І., Студент М.М., Шмирко В.В., Довгуник В.М., Клапків М.Д. Фізико - механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, Україна E-mail: shmyrko-v-v@ukr.net ВПЛИВ ВИДУ ШЛІФУВАННЯ НА ПАРАМЕТРИ ШОРСТКОСТІ ТА ТРИБОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКСИДОКЕРАМІЧНИХ ШАРІВ УДК 621.73 Стаття присвячена дослідженню структури та трибологічних характеристик оксидокерамічних шарів, син- тезованих методом плазмол - ектролітної обробки (ПЕО) на сплавах та електродугових покриттях після різних видів шліфування. Ключові слова: шліфування, оксидокерамічні шари, трибологічні характеристики. Вступ Алюмінієві сплави за масштабами використання у промисловості займають провідне місце після сталі. Проте, вони мають дещо обмежене застосування у рухомих контактних парах, через відносно низьку їх поверхневу твердість та зносостійкість. Для забезпечення тривалої експлуатації конструкцій та виробів із легких сплавів застосовують модифікування поверхневих шарів або наносять на них покриття. Перспективними є металооксидокерамічні покриття, які застосовуються зараз для захисту суцільних алюмінієвих сплавів. Для відновлення геометричної форми зношених деталей нами запропоновано вико- ристовувати електродугове напилення на основі алюмінію з наступним оксидуванням напиленого шару. Методики досліджень Оксидокерамічні шари синтезували на сплаві Д16T та електродугових покриттях (ЕДП), сфор- мованих із електродного дроту зв Д16. Для цього використовували металізатор з модернізованою систе- мою розпилення металоповітряної суміші [1]. Режими формування ЕДП: напруга на дузі =U 30 … 32 V, струм дуги =I 100 … 120 А, тиск повітря =P 0,6 МПа, дистанція напилення – 120 мм. Оксидокерамічні шари формували в катодно - анодному режимі за співвідношення (Ik/Ia) 1 і 1,5 імпульсним струмом густиною 20 А/дм2 у електроліті складу: 3 г/л КОН та 2 г/л рідкого скла в роз- чині дистильованої води за раніше розробленою методикою. Час оксидування 90 хв [2]. Мікроструктуру синтезованих покривів вивчали на сканувальному електронному мікроскопі EVO-40XVP (Carl Zeiss) із системою рентгенівського мікроаналізу INCA Energy. Трибологічні дослідження зразків після плазмоелектролітної обробки проводили за умов грани- чного тертя за схемою “диск - колодка“ на випробувальній установці СМЦ-2 при контактному наванта- женні 2, 4, 6, 8 та 10 МПа. Швидкість ковзання 0,67 м/с, час випробувань 2 години при кожному наван- таженні. Для досліджень використовували зразки: “диск“ (зовнішній діаметр =d 42 ± 0,02 мм) та “ко- лодка“ з внутрішнім діаметром аналогічного розміру. Зразки “диск“ виготовляли з пруткового матеріалу зі сплаву Д16Т. Співвідношення між контактними площами при терті було 0,125. Робочі поверхні зразків піддавали плазмоелектролітній обробці. Після цього їх шліфували до необхідного розміру та досягнення шорсткості поверхні =Ra 0,3 мкм. У випадку нанесення електродугових покриттів на зразки “диск“ їх зовнішній діаметр був =d 40 мм. Після нанесення покриттів зразки проточували, піддавали плазмоеле- ктролітній обробці та шліфували до необхідного розміру. Робочі середовища – мінеральні мастила I-20 та М10Г2к. При проведенні досліджень зразок ”диск“ частково занурювали у ванну з мастилом. Вимірювання моменту тертя проводили безконтактним індуктивним давачем, змонтованим на валу установки. Температуру в околі зони контакту (на відстані 0,5 мм) вимірювали хромель- алюмелевою термопарою. Електричні сигнали, у мілівольтах, від вимірювання зазначених параметрів передавалися на аналого-цифровий переретворювач та одночасно фіксувалися за допомогою персональ- ного комп’ютера з кроком їх запису 0,2 с. Зношування зразків після випробувань визначали за втратою маси зважуванням на електронній вазі KERN ABJ з точністю ± 0,0001 г. Зразки перед початком випробуваннь та після кожного етапу тертя очищали в бензині та ацетоні упродовж 10 хв у за допомогою ультразвуку на установці Bandelin Sonorex та висушували. mailto:shmyrko-v-v@ukr.net Вплив виду шліфування на параметри шорсткості та трибологічні характеристики оксидокерамічних шарів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 1 117 Експериментальні результати та їх обговорення Структура покриттів Оксидокерамічні шари синтезовані ПЕО на ЕДП характеризуються трьома чітко вираженими ді- лянками: верхній поруватий шар (рис. 1) з численними мікротріщинами, (товщиною 20 … 30 % від зага- льної товщини оксидокерамічного покриття), щільна та широка область практично безпористого покрит- тя та тонкий проміжний шар на межі контакту з алюмінієвою основою, або з алюмінієвим напиленим по- криттям. Відносні товщини цих шарів, їх структура та склад у значній мірі залежать від параметрів попередньої обробки матеріалу, складу електроліту та способу нанесення покриттів. а б Рис. 1 – Мікроструктура оксидо-керамічного шару, одержаного методом оксидування електродугового покриття на сплаві Д16Т при густині струму 2 кA/м2, і Ic/Ia = 1,0 в электроліті 1 та в электроліті 2. Час оксидування 90 хв У структурі оксидокерамічного шару (як на основі Д16Т, так і на електродуговому покритті із Д16) виявлено сегрегації виділень чистої міді нанометричних розмірів (рис. 1). Частинки міді появляють- ся в оксидній фазі, очевидно, наступним чином: в каналі іскрового розряду при ПЕО утворюється як ок- сид алюмінію, так і оксид міді. В подальшому залишок розплаву алюмінію відновлює оксид міді до чис- тої міді. Вплив виду шліфування на параметри шорсткості оксидокерамічних шарів Перед проведенням трибологічних випробувань зразків з оксидокерамічними покриттями верх- ній пористий шар зішліфовували. Для порівняння впливу виду шліфування на чистоту обробки повер- хонь тертя у технологічних операціях використовували як корундовий, так і алмазний круг. Параметри шліфування подано у табл. 1 Шліфування алмазним кругом є продуктивнішим процесом, ніж корундовим. При цьому забезпечується вища чистота поверхні стальних зразків і зразків з окидокерамічними шарами Так, після алмазного шліфування параметри шорсткості поверхні стального зразка: =Ra 0,6, =Rz 2,4 мкм, а ко- рундовим – =Ra 0,8 мкм, =Rz 3,5 мкм (рис. 3, а - г). Після алмазного шліфування висотні параметри профілю поверхні сталі max) , ,( RRzRa та середній крок нерівностей )(Sm на 30 % нижчі. Характер опорних кривих свідчить про рівномірніший розподіл матеріалу в поверхневому шарі (рис. 3, г). 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 -3 -2 -1 0 1 2 3 h, µ m L, m m 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 -3 -2 -1 0 1 2 3 h, µ m L, mm а б 1 2 1 2 Вплив виду шліфування на параметри шорсткості та трибологічні характеристики оксидокерамічних шарів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 1 118 0 2 4 30 40 50 60 70 80 90 100 110 A KA KA KA K R a, R z, S ,S m , µ m A K R a Rz Rmax S Sm 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 ε η A K в г Рис. 3 – Профілограми поверхонь тертя стальних зразків після шліфування алмазним (а) та корундовим (б) кругами, параметри профілю (в) та опорні криві (г) після шліфування алмазним (А) та корундовим (К) кругами Таблиця 1 Режими шліфування ПЕО шарів Режими шліфування швидкість, м/с Характеристика круга круга подача стола глибина шліфування, мм Продуктивність см3/хв Корундовий круг СТ 2 30 0,05 0,01 0,1 Алмазний круг Ас6 63/50-50/40, М1,100 30 0,05 0,025 0,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 -3 -2 -1 0 1 2 3 h, µ m L ,m m 0 ,0 0 ,5 1 ,0 1,5 2 ,0 -3 -2 -1 0 1 2 3 h, µ m L ,m m а б 0 2 4 30 40 50 60 70 80 90 100 110 A KA KA KA K R a, R z, S ,S m , µ m A K Ra Rz Rmax S Sm 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 A K η ε в г Рис. 4 – Профілограми поверхонь тертя зразків з оксидокерамічними шарами, синтезованими на сплаві Д16Т після шліфування алмазним (а) та корундовим (б) кругами, параметри профілю (в) та опорні криві після шліфування (г) алмазним (А) та корундовим (К) кругами Вплив виду шліфування на параметри шорсткості та трибологічні характеристики оксидокерамічних шарів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 1 119 Після шліфування оксидокерамічних шарів, синтезованих як на сплаві Д16Т так і на електроду- гових покривах з електродних дротів зв Д16 алмазним та корундовим кругами рельєф поверхні є прак- тично ідентичним по висотних параметрах max) , ,( RRzRa . Проте, усереднені значення крокових ве- личин: ширини мікровиступів та віддалей між ними після шліфування корундовим кругом ≈ на 20 % більші. Це підтверджує характер опорних кривих профілів поверхонь (рис. 4). Після шліфування корун- довим кругом якість поверхні гірша. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 -3 -2 -1 0 1 2 3 h, µ m L,m m 0,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 -3 -2 -1 0 1 2 3 h , µ m L ,m m а б 0 2 4 30 40 50 60 70 80 90 100 110 A KA KA KA K R a, R z, S ,S m , µ m A K Ra Rz Rmax S Sm 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 η ε A K в г Рис. 5 – Профілограми поверхонь тертя зразків з оксидокерамічними шарами, синтезованими на ЕДП сформованих із дротів зв Д16Т після шліфування алмазним (а) та корундовим (б) кругами, параметри профілю (в) та опорні криві (г) після шліфування алмазним (А) та корундовим (К) кругами Алмазне шліфування забезпечує вищу якість поверхні, ніж корундове, про що свідчать на 30 % менші висотні характеристики max) , ,( RRzRa та на 40 % більший кроковий параметр )(Sm . Більшу нерівномірність розподілу матеріалу в поверхневому шорсткому шарі після корундового шліфування ілюструє характер опорної кривої поверхні. Таблиця 2 Вплив виду шліфування на параметри шорсткості Види шліфування, круги Матеріал зразків алмазний корундовий Д16 Т + ПЕО Ra = 0,7 мкм Rz = 3,8 мкм Ra = 0,8 мкм Rz = 3,8 мкм ЕДП із св Д16 + ПЕО Ra = 0,6 мкм Rz = 2,7 мкм Ra = 0,8 мкм Rz = 3,6 мкм Трибологічні дослідження Трибологічними дослідженнями встановлено, що зношування метало–оксидокерамічних шарів, синтезованих як на суцільних матеріалах, так і на напилених ЕДП у парах із зазначеними контртілами є у межах похибки вимірюваннь. Аналогічні результати отримано також щодо зношування контртіл. Ці по- криття відзначається високою зносостривкістю при контактних навантаженнях включно до 10 МПа. То- му, основну увагу було приділено вивченню процесів тертя, а не зношування – вивчали зміни коефіцієнтів тертя та температури триборозігріву пар тертя за різних контактних навантажень у процесі випробувань. Вплив виду шліфування на параметри шорсткості та трибологічні характеристики оксидокерамічних шарів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 1 120 Встановили, що алмазне шліфування оксидокерамічного шару, синтезованого на сплаві Д16Т у парі сталлю ШХ-15 забезпечує коефіцієнт тертя (≈ 0,017, а температуру триборозріву ≈ 40 ºС), які збері- гаються до контактного навантаження 10 МПа (рис. 6). При перевищенні навантаження коефіцієнт тертя зростає в приблизно в три рази. Зростає також і температура триборозігріву (рис. 5, б). Оксидокераміч- ний шар, шліфований корундовим кругом має суттєво гірші трибологічні характеристики. Коефіцієнт тертя починає зростати вже при перевищенні контактного навантаження 6 МПа. Температура триборозігріву також є вищою. Так є ще й тому, що при випробуванні в мастилі І-20 за контактного на- вантаження понад 8 МПа зменшується вязкість мастила, що призводить то потоншення граничної плівки в зоні контакту та до підвищення температури, що і спонукає зростання коефіцієнта тертя. Разом з тим, металооксидокемічні шарі є пористі – у своїй струкрурі містять як мікро- так і нанопори які до певних контактних навантажень можуть бути акумуляторами маста. По мірі зростання контактного навантажен- ня, а разом з ним і температури у зоні контакту мастило буде розкладатися. Очевидно, що за таких умов у зоні контакту втрачаються реологічні властивості мастила що і призводить до такого результату. 2 4 6 8 10 12 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 µ р, МПа 1 2 3 4 2 4 6 8 10 12 20 40 60 80 100 120 140 р, МПа T, o C 1 2 4 3 а б Рис. 6 – Вплив контактного навантаження на коефіцієнт тертя (а) та температуру трибо розігріву (б) у парах тертя оксидокерамічний шар - сталь ШХ-15 (1, 2) та бронза БрС-30 (3, 4). Вид шліфування 1, 3 корундовим кругом, 2, 4 алмазним. Випробовували в мастилі І-20 Раніше [2] було проведено порівняльні дослідження трибологічної поведінки оксидокерамічних шарів, синтезованих як на Д16Т так і на ЕДП, синтезованих із двох дротів зв Д16 після алмазного шліфу- вання. Виявили, що немає суттєвої різниці у трибологічній поведінці таких шарів. Тому, провели дослідження металооксидокерамічних шарів, синтезованих на ЕДП у мастилі М10Г2к, легованому диалкілдитіофосфатом цинку з різними контртілами і отримали такий результат (рис. 7). 2 4 6 8 10 12 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 µ p, MPa 1 2 3 4 0 2 4 6 8 10 12 20 30 40 50 60 70 80 T, o C p, MPa 1 2 3 4 а б Рис. 7 – Зміна коефіцієнта тертя (а) та температури триборозігріву (б) пар тертя оксидокерамічний шар на ЕДП із суцільного дроту зв Д16 (зразок) у парі з контртілами: 1 – оксидокерамічний шар на Д16; 2 – бронза БрС 30; 3 – гартована сталль ШХ15; 4 – гальванічне хромове покриття. Вид шліфування алмазне. Випробовували в мастилі М10Г2к Найменший коефіцієнт тертя є у парі “зразок” з оксидокерамічним шаром на ЕДП Д16 у парі зі “контртілом” з гальванічним хромовим покриттям (0,006 при 10 МПа). Коефіцієнт тертя в однойменних парах – оксидокерамічний шар по оксидокераміному шару за аналогічного навантаження становить близько 0,03. Коефіцієнти тертя оксидокерамічних шарів в інших парах парах тертя, є дещо вищими. Вплив виду шліфування на параметри шорсткості та трибологічні характеристики оксидокерамічних шарів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 1 121 Електронно мікроскопічними (ЕМ) дослідженнями вторинних структур (ВС), утворених на по- верхнях тертя зразків з металооксидоремічними шарами, сформованими на сплаві Д16Т чи на ЕДП з двох дротів Д16 (рис. 8 - 9) у парі з контртілами зі сплаву Д16Т, виявлено, що при терті в мінеральному мастилі М10Г2к на поверхнях тертя ВС містять Zn, S та P. Елемент Ваг. % Ат. % C K 18,82 29,32 O K 39,05 45,67 Mg K 0,84 0,65 Al K 25,02 17,35 Si K 1,66 1,11 P K 1,29 0,78 S K 2,93 1,71 K K 0,84 0,40 Ca K 1,43 0,67 Cu L 1,87 0,55 Zn L 6,24 1,79 Підсумок 100,00 Рис. 8 – ЕМ зображення та поелементний аналіз ВС, утворених після тертя на поверхні оксидокерамічних шарів синтезованих на сплаві Д16Т Елемент Ваг. % Ат. % O K 47,69 62,17 Al K 42,32 32,71 Si K 3,57 2,65 P K 0,27 0,18 S K 0,33 0,21 Na K 0,89 0,47 Cu L 3,04 1,00 Zn L 1,89 0,60 Підсумок 100,00 Рис. 9 – ЕМ зображення та поелементний аналіз ВС, утворених після тертя на оксидокерамічних шарах синтезованих на ЕДП, сформованих із суцільного дроту Д16 Ці компоненти є легувальними елементами мастила (або ефективними додатками), що підвищу- ють антифрикційні властивості пар тертя. На поверхні оксидокерамічних шарів як на сплаві Д16Т так і на ЕДП також виявлено сліди міді, внаслідок її відновлення з оксидів під час плазмоелектролітної оброб- ки, що додатково призводить до зменшення коефіцієнта тертя в даному мастилі. ЕМ дослідженнями на поверхнях тертя виявлено утворення ВС з вмістом Zn, S та P. Це, свідчить про формування на поверхнях тертя ВС нестехіометричного складу, які і забезпечують високі антифрикційні властивості пар тертя. Висновки 1. Алмазне шліфування ПЕО шарів як на сплаві Д16Т так і на ЕДП із дроту зв Д16 забезпечує кращі параметри шорсткості поверхні. 2. Трибологічні характеристики алмазно шліфованих ПЕО шарів у парі з контртілами бронзою БрС 30, гартованою сталлю ШХ15 є вищі ніж після шліфування корундовим кругом. 3. Пара тертя ПЕО шар гальванічний хром має найкращі трибологічні характеристики. Література 1. Електродугові відновні та захисні покриття / В.І. Похмурський, М.М. Студент, В.М. Довгуник та ін. – Львів: НАН України; Фізико - механічний ін-т ім. Г.В. Карпенка, 2005. – 192 с. 2. Student М.М., Dovhunyk V.М., Klapkiv М.D. and all. Tribologycal properties of combined metal- oxide–ceramic layers on light alloys // Materials Science, Vol. 48, No. 2, 2012 pp. Поступила в редакцію 14.02.2014 Вплив виду шліфування на параметри шорсткості та трибологічні характеристики оксидокерамічних шарів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 1 122 Pokhmurski V.I., Student M.M., Smyrko V.V., Dovhunyk V.M., Klapkiv M.D. Influence of type of grinding pa- rameters on roughness and tribological properties of combined metal-oxide-ceramic layers. Aluminum alloy scale use in industry taking pride of place on steel. However , they have a somewhat limited use in mobile pin pairs, because their relatively low surface hardness and wear resistance. To ensure continued operation of struc- tures and products of light alloys used modification of the surface layers or coatings applied to them . Perspective is com- bined metal-oxide-ceramic layers is applied to protect the solid aluminum alloys. To restore the geometric shape of worn parts we proposed to use electric arc spraying aluminum-based coatings, followed by oxidation sprayed layer.The article in- vestigates the structure and tribological characteristics of combined metal-oxide-ceramic layers synthesized on alloys and arc spraying aluminum-based coatings on various types of grinding. Key words: grinding, oksydokeramichni layers tribological properties. References 1. Pokhmurski V.I., Student M.M., Dovhunyk V.M., and all. Restoration and protective arc spray coat- ing. Lviv: Ukraine National Academy of Sciences, Physical-Mechanical Institute of the University. GV Karpenko, 2005. 192 p. 2. Student М.М., Dovhunyk V.М., Klapkiv М.D. and all. Tribologycal properties of combined metal- oxide-ceramic layers on light alloys. Materials Science, Vol. 48, No. 2, 2012 pp.