Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Профессор)
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Профессор)
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
Проведен анализ работ по управлению процессами, происходящими в период приработки деталей пар трения. Приведены технологические и другие способы уменьшения времени процесса приработки. Представлены режим и оборудование проведенного низкотемпературного отжига в диоксиде кремния. Приведены средства измерения шероховатости, химического состава, структуры и износа поверхности. Установлено, что при проведении низкотемпературного отжига в диоксиде кремния происходит выглаживание микронеровностей поверхности по основным параметрам шероховатости. Высотные параметры шероховатости Ra, Rmax уменьшились: параметр Ra в 4,5 раз; параметр Rmax – в 5,1 раз. Шаговые параметры S, Sm повели себя разнонаправленно: параметр Sm увеличился в 2,2 раза; параметр S уменьшился в 1,6 раз. Уменьшение высотных Ra, Rmax и увеличение шаговых Sm параметров шероховатости свидетельствует о выглаживании поверхности в следствии проведенного отжига. Уменьшение параметра S говорит об общем уменьшении количества выступов шероховатости. Также следует отметить уменьшение значения параметра опорной кривой профиля tp на уровне 50 %, как характеристики уменьшения несущей способности материала. Результаты химического анализа показали увеличение в поверхностном слое количества кремния и уменьшения количества хрома. Металлографический анализ позволил установить образование поверхностного слоя, насыщенного кремнием. В результате испытаний на износ, установлено, что суммарный износ пары трения образца после проведения низкотемпературного отжига уменьшился по сравнению с базовым образцом. При испытаниях на износ использовалась схема цилиндр-плоскость при нагрузке 30 Н.
приработка, низкотемпературный отжиг, диоксид кремния, износ, качество поверхности
В инженерной практике принято считать, что в процессе приработки трущихся поверхностей происходит пластические и упругие деформации макро-, микро- и нанонеровностей. Причем смещение поверхностей перед каждым новым приложением нагрузки будет вызывать упругие и пластические деформации или срез ранее не контактирующих поверхностей, после многократных смещений и повторных приложений нагрузки все большая часть неровностей будет деформироваться упруго и все меньшая их часть будет иметь пластический характер. При уменьшении длительности процесса приработки неровности поверхностей трения быстрее приобретают равновесную шероховатость и скорость изнашивания уменьшается. В этой связи пути уменьшения времени на приработку поверхностей трения представляют интерес для научной общественности.
Ведется анализ процессов формирования микропрофиля поверхностей деталей машин на этапах обработки и приработки [1]. Разрабатываются методы технологического управления физико-химическими параметрами поверхностных слоев [2]. Проводятся исследования износостойкости, контактной жесткости и антифрикционных свойств поверхностей после их напыления и упрочнения [3]. Предлагаются новые методики приработки [4], которая состоит из двух режимов. На первом режиме задаётся максимальная нагрузка, ниже нагрузки «заедания» при минимальной скорости скольжения. На втором режиме задаётся минимальная нагрузка и максимальная скорость скольжения. Получены переходные характеристики приработки трибосистем, которые позволяют установить взаимосвязь между конструкцией трибосистемы, рациональными режимами нагружения, временем приработки и износом за приработку. Проводится моделирование процессов приработки для поверхностей различной геометрии и упрочнения [5].
Исследуются трибологические характеристики и микрогеометрия поверхностей антифрикционных сплавов в период приработки [6]. Показано, что при малых нагрузках микрогеометрия оказывает более сильное влияние на трибологические характеристики, чем при высоких нагрузках. Для минимального и среднего значения нормальной нагрузки выявлен эффект образования равновесной шероховатости, не зависящей от исходного качества поверхности трения. Исследуются влияние приработки на трибологические свойства различных фрикционных материалов [7]. Рассматривается процесс нанесения внешних антифрикционных покрытий из алюминия, оловянистой бронзы и меди механическим путем на поверхность закаленных чугунных зубчатых колес с внешним диффузионным ванадиевым покрытием взамен операции тонкого шлифования, для сглаживания исходной шероховатости поверхности [8].
В зарубежной литературе большой объем исследований направлен на поиск методов и средств уменьшения времени приработки [9], т. к. таким образом стремятся научиться управлять упругими свойствами поверхностей. Исследуется изменение коэффициента трения в период приработки [10]. Строятся численные [11] и аналитические [12] модели приработки.
Целью настоящей статьи является уменьшение времени приработки поверхностей трения.
Методы и средства
Исследования проводили на образце, изготовленном из стали 45, поверхности образца обрабатывали шлифованием до шероховатости Ra = 1,0 мкм. Шероховатость образцов измерялась на профиллографе БВ7669М на базовой длине 0,8 мм, в трех измерениях. Химический анализ поверхности проводили на спектрометре Искролайн-100, металлографию осуществляли на микроскопе LeicaDM, предварительно обработав поверхность 3,0 %-ным спиртовым раствором азотной кислоты. В качестве контртела выступала сталь 40Х с качеством поверхностей Ra = 1,0 мкм.
Отжиг образцов проводили в муфельной печи. Печь разогревалась до температуры 180 ℃, образцы, обсыпанные порошкообразным диоксидом кремния, помещали в печь и выдерживали в течении 30 мин. Остывание образцов происходило в печи при открытой дверце. Более детально методика проведения отжига приведена в работе [13].
Испытания на износ проводили по схеме цилиндр-плоскость. Испытания проводили без смазочного материала, при нагрузке 30 Н. Скорость вращения цилиндрического образца 60 об/мин, продолжительность испытаний 4,0 мин. Радиус контртела R = 25 мм.
Результаты и обсуждение
Сравнение проводили по двум образцам: первый образец – не отожженный в печи; второй образец – отожженный в печи. Результаты измерения параметров шероховатости образцов приведены на рис. 1 и в табл. 1.
Как видно из табл. 1 высотные параметры шероховатости уменьшились: параметр Ra в 4,5 раза; параметр Rmax – в 5,1 раза. Шаговые параметры повели себя разнонаправленно: параметр Sm увеличился в 2,2 раза; параметр S уменьшился в 1,6 раза. Уменьшение высотных Ra, Rmax и увеличение шаговых Sm параметров шероховатости свидетельствует о выглаживании поверхности в следствии проведенного отжига. Уменьшение параметра S говорит об общем уменьшении количества выступов шероховатости. Также следует отметить уменьшение значения параметра опорной кривой профиля t50, как характеристики уменьшения несущей способности материала.
Испытания образцов на износ (рис. 2) позволили установить, что, в целом, выглаживание поверхности привело к уменьшению
износа.
Так, износ пары трения с первым образцом составил 0,52 мм, со втором образцом –
0,4 мм. Интенсивность изнашивания пары трения с первым образцом – 1,38∙10-5, со вторым образцом – 1,06∙10-5. Следовательно, можно прийти к заключению, что процесс приработки второго образца завершится быстрее, чем у первого.
Проведенный химический анализ образцов (рис. 3) показал, что в поверхностном слое второго образца после отжига в порошке диоксида кремния увеличилось количество кремния в 1,18 раз и уменьшилось содержание хрома в 0,18 раз. Увеличение содержания кремния можно объяснить его переходом из диоксида кремния в поверхностный слой стали. Объяснить потерю хрома можно его расходом на возникающую химическую реакцию
Cr + SiO2 = CrO + SiO2. Однако, данное предположение требует дополнительно подтверждения.На металлографии второго образца (рис. 4, в) виден образовавшийся поверхностный слой. При этом, изначальная структура поверхности первого образца (рис. 4, а) после отжига (рис. 4, б) практически не претерпела изменений.
Низкотемпературный отжиг в порошкообразном диоксиде кремния позволяет «сгладить» микронеровности поверхности. В результате на поверхности образуется слой, содержащий кремний или его карбиды. Интенсивность изнашивания при этом уменьшается, что приведет к уменьшению времени приработки.
1. Нагоркин М.Н., Федоров В.П., Суслов А.Г., Тотай А.В. Технологическое управление параметрами эксплуатационной шероховатости поверхностей деталей пар трения скольжения комбинированной антифрикционной обработкой // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 12 (150). С. 37–45. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-37-45. EDN QFJRDD.
2. Тотай А.В. Повышение эксплуатационной надежности деталей технологическим управлением физико-химическими параметрами их поверхностных слоев // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 1(103). С. 24–30. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-2020-1-24-30. EDN WRAIUI.
3. Пыриков И.Л. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств плоских поверхностей скольжения // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 1(115). С. 15–23. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-2021-1-15-23. EDN NPWXVY.
4. Войтов В.А., Бекиров А.Ш., Войтов А.В., Цымбал Б.М. Методика приработки трибосистем и экспериментальная проверка ее эффективности // Трение и износ. 2019. Т. 40, № 5. С. 487–497. EDN XNTCSA.
5. Волченков А.В., Никитина Л.Г. Алгоритм разработки программы приработки криволинейных поверхностей // Транспортное машиностроение. 2023. № 2(14). С. 12–18. DOIhttps://doi.org/10.30987/2782-5957-2023-2-12-18. EDN CQFMSY.
6. Цуканов И.Ю., Щербакова О.О., Мезрин А.М. и др. Трибологические характеристики и микрогеометрия поверхностей антифрикционных сплавов в период приработки // Трение и износ. 2020. Т. 41, № 1. С. 19–26. EDN OCNFBR.
7. Буковский П.О., Морозов А.В., Кириченко А.Н. Влияние приработки на коэффициент трения углеродных композитных материалов авиационных тормозов // Трение и износ. 2020. Т. 41, № 4. С. 448–456. DOIhttps://doi.org/10.32864/0202-4977-2020-41-4-448-456. EDN SLHWRN.
8. Веселовский А.А. Влияние внешних антифрикционных покрытий на состояние поверхности и приработку упрочненных диффузией чугунных зубчатых колес в паре // Вестник Курганской ГСХА. 2020. № 2(34). С. 58–61. EDN ZGBMWG.
9. Jeng, Yeau-Ren, Zhi-Way Lin, and Shiuh-Hwa Shyu. «Changes of surface topography during running-in process». J. Trib. 126.3 (2004): 620–625.
10. A. Ruggiero, G. D. Leo, C. Liguori, D. Russo and P. Sommella. «Accurate Measurement of Reciprocating Kinetic Friction Coefficient Through Automatic Detection of the Running-In», in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69, no. 5, pp. 2398–2407, May 2020, doi:https://doi.org/10.1109/TIM.2020.2974055.
11. Rifky Ismail, Muhammad Tauviqirrahman, Jamari, Dirk J. Schipper; Two‐Dimensional Finite Element Analysis on Running‐in of Elastic‐Plastic Rolling Contact. AIP Conf. Proc. 23 December 2010; 1325 (1): 190–193. https://doi.org/10.1063/1.3537894
12. Akbarzadeh, Saleh, and M. M. Khonsari. «Experimental and theoretical investigation of running-in». Tribology International 44.2 (2011): 92–100.
13. Суслов А.Г., Шалыгин М.Г. Управление наногеометрией деталей методом поверхностного упрочнения // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2021. № 11. С. 38–41.
