автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Алюмоматричные композиты с дисперсным керамическим наполнителем SiC в процессах и трибопарах сухого трения

На правах рукописи

Семёнов Алексей Борисович

Алюмоматричные композиты с дисперсным керамическим наполнителем SiC в процессах и трибопарах сухого трения.

Специальность 05.02.01 - "Материаловедение (машиностроение)"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Москва 2005г.

Работа выполнена в Московской Государственной Академии Приборостроении и

Информатики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

|Салябеков С.Е-1

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Чернышева Т.Л.

доктор технических наук, профессор Куксенова Л.И.

Ведущая организация:

ФГУП «ВИАМ»

Защита состоится "

м

2005 года в " "час.

N

П

мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.119.03 в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу:

107846, г. Москва, ул. Стромынка, д.20, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики.

Автореферат разослан «_»_2005 года

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., профессор

Н.И. Касаткин

fff^ оГ/?9?5>Г

Обшая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Трибопары сухого трения находят все более широкое применение в машиностроении. Управление трением, правильный выбор материалов по характеристикам трения и износа, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин, оптимизация условий эксплуатации могут существенно продлить срок жизни и повысить эффективность машин. Автомобильный тормоз - один из таких узлов. Работа тормозных дисков автомобилей построена на изнашивании поверхности изделия, сопровождаемом интенсивным разогревом детали, и теплообмене диска с окружающей средой. У дисков из чугуна экстремальные тепловые условия эксплуатации определяются испытаниями по методике FADE и ассоциируются с максимальными температурами 650-700°С. Использование композитов углерод-углерод и углерод-керамика (SiC) позволило в несколько раз снизить массу диска и поднять рабочую температуру узла трения до 1400°С. Особое место в этой нише занимают металломатричные композиты на алюминиевой основе (АКМ), армированные керамическими частицами, отличающиеся от всех других фрикционных материалов очень высокой теплопроводностью. Результаты проведенного в США моделирования испытаний FADE показали, что при использовании дисков из АКМ, которые в два раза легче аналогичных чугунных, одновременно при одинаковой мощности трения вдвое (до 300°С) снижается максимальная температура узла трения легкового автомобиля.

Создание тормозного диска из АКМ и выбор для него оптимального контртела -сложная, актуальная для автомобилестроения научно-техническая проблема, требующая комплексного исследования механических и служебных свойств (трибохарактеристик) материалов используемых пар трения Рациональное использование АКМ в тормозных дисках автомобиля возможно только на основе глубокого материаловедческого анализа структурной приспособляемости этого нового класса материалов к условиям сухого трения.

В последние годы управление сухим трением стало основой новейших промышленных технологий соединения однородных и разнородных металлов в твердом состоянии (сварка трением с перемешиванием (СТП)). За рубежом, также в промышленном масштабе, освоена технология глубокой поверхностной механической обработки (ЛМО) внедряемым трущимся инструментом, в которой сухое трение используется для принципиального изменения структуры и улучшения механических свойств металла в экстремально нагруженных локальных объемах фасонного изделия.

Конструктора требуют новых материалов и технологий для решения своих вопросов, однако описанные выше процессы в отечественной практике почти не используются. В этой связи актуальное значение приобретают работы в области триботехнического материаловедения, а также теоретические и экспериментальные исследования в области физико-химической механики процессов трения и изнашивания, которые, с одной стороны, помогают изыскать новые способы снижения потерь на трение и повысить износостойкость машин, приборов и оборудования, а с другой - помогают раскрыть не использованный полностью потенциал традиционных сплавов.

Цель работы; Установление формируемых в процессе сухого трения служебных и физико-механических свойств изделий из АКМ и определение критических условий эксплуатации изделий в зависимости от состава, свойств, термической обработки, выбираемого контртела и условий иагружения пар трения.

В диссертационной работе основное внимание уделяется изучению трения и износа АКМ и их матричных алюминиевых сплавов, исследованию динамики явлений и структурных изменений в АКМ в зоне трибоконтакта. Результаты исследований позволили выбрать оптимальную трибопару "диск тормоза из АКМ - накл!ШЩ ТОрийИ'^ ^"^ади возможность предложить новый взгляд на физическую природу про за качество

С.Лстер

о» эд"

iuitt^

результатов при обработке (СТП и ЛМП) металлов специальным инструментом, единый для устройств, работающих в режиме сухого трения.

Научная новизна полученных результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые обоснованы условия эффективного использования нового класса конструкционных материалов - АКМ в качестве фрикционных. Автором впервые получены следующие результаты:

1. Показано, что в рамках стандартизованной методики рационального цикла трибояспытаний (РЦИ, ИМАШ РАН), но используя динамические зависимости коэффициента трения от температуры (f(t) - T(t)), можно определить условия, в которых процесс установившегося изнашивания протекает устойчиво, выделить моменты обострения, оценить пороговые мощности трения и соответствующие критические состояния исследуемого АКМ, когда процесс установившегося изнашивания переходит в режимы, при которых разрушение системы (вследствие очень высокой скорости подвода энергии) становится непредсказуемым.

2. Экспериментально определена универсальная связь между критическими параметрами, устанавливающая зависимость и контролирующая границы переходов от стадии приработки к стадии приспособляемости, от стадии приспособляемости к стадии катастрофического износа АКМ.

3. Для изученных пар трения определены диапазоны устойчивых состояний изнашивания, когда процесс сухого трения можно практически использовать для минимизации износа материалов.

4. Доказано, что не пластифицирование и объемная пластическая деформация, а разрушение, перетекание и последующая консолидация не удаляемых продуктов износа одного из контактирующих тел при сухом трении являются доминирующим и важнейшим механизмом перестройки (неравновесных превращений) в твердом состоянии, принципиально изменяющим структуру и свойства материала.

На защиту выносятся перечисленные новые научные результаты.

Практическая ценность представленной работы заключается в том, что в ней впервые определены характеристики трения (коэффициент трения, износостойкость, фрикционная теплостойкость) отечественных АКМ, армированных керамическими частицами, установлены рациональные режимы эксплуатации АКМ в тормозных системах сухого трения и одновременно доказана возможность, используя тот же принцип, но изменив режим и условия трения, в десятки раз повысить пластичность матричных сплавов и АКМ в локальных (но достаточно больших) объемах фасонных деталей, не снижая их прочностных характеристик.

Достоверность результатов исследования подтверждается данными физических экспериментов, совпадением установленной для АКМ критической температуры, близкой к 320°С, с более поздними полученными американскими исследователями результатами компьютерного моделирования трибоиспытаний автомобильных тормозных дисков из АКМ, а также результатами проведенных механических испытаний образцов материала, структура которого была изменена в процессе трения.

Апробапия основных результатов проводилась на международных научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: «Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов»(г. Сергиев Посад, 1997), «Моделирование и исследование сложных систем » (г. Чехов, 1998; г. Севастополь, 1997,1999), «Фракталы и прикладная синергетика» (г. Москва, 1999), «Прикладная синергетика - 2» (г Уфа, 2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 4 статьи в научно-технических журналах.

Структура и обьем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 2 приложений. Содержит 198 страниц текста, 130 рисунков, 28 таблиц. Список литературы включает 65 работ.

Основное содержание работы.

В первой главе проведен анализ литературы, рассмотрены условия работы, основные свойства и область применения пар сухого трения, использующих АКМ, роль наполнителей и матричных сплавов.

Опыт эксплуатации тормозов и муфт сухого трения показывает, что при создании износостойких пар трения следует основываться на физических и механических свойствах контактирующих тел и разделяющих их пленок и покрытий. В тоже время ни одна из механических характеристик, взятая в отдельности, не может служить надежным критерием при выборе износостойких материалов. В процессе трения происходит изменение структуры и свойств материалов. Их сопротивление изнашиванию определяется не столько исходным уровнем прочностных свойств, сколько свойствами новых структур, возникающих на поверхности трения. В этом отношении изнашивание АКМ, получаемых замешиванием керамических частиц в традиционные алюминиевые сплавы и отличающихся друг от друга технологией совмещения компонентов, ^ распределением частиц, свойствами матриц и прочностью связи по границам раздела

матрица-наполнитель, может существенно отличаться и от традиционных гетерогенных износостойких материалов, и от близких по составу АКМ.

Структура, формирующаяся на поверхности трения материалов, возникает либо как » следствие упрочнения слоев металла по мере их износа за счет наклепа и диффузионных

процессов, либо как результат разрушения, механического перемешивания и частичного удаления продуктов износа поверхностных слоев контактирующих сред. При этом снижается интенсивность изнашивания, она приобретает минимальный характер. Благодаря структурной приспособляемости можно максимально использовать способность материалов к упрочнению и положительное влияние внешней среды на трение и изнашивание, а также создавать новые материалы путем направленного использования сухого трения. Технология введения керамических наполнителей, их химическая природа, объемная доля и размер частиц существенно влияют на структурпую приспособляемость АКМ в различных парах сухого трения. Однако, влияние исходного структурного состояния АКМ на структурную приспособляемость неоднозначно: улучшение одного или нескольких свойств сопровождается ухудшением других.

Исследования в области СТП и ЛМП, осуществляемых в режиме сухого трения об обрабатываемую деталь погруженного в металл перемещаемого инструмента, позволили выявить некоторые особенности фазовых и динамических структурных изменений, происходящих в зоне взаимодействия трущихся тел. Анализ литературных данных показал, что управление сухим трением и переносом продуктов износа путем выбора различных геометрических форм инструмента, формирующего трибоконтакт, позволяет ' эффективно использовать в машиностроении новые технологии.

В связи с изложенным выше были сформулированы следующие задачи исследования:

- подбор легкой пары трения для тормозов легкового автомобиля с дисками из | отечественных АКМ и подготовка рекомендаций для разработчиков тормозных систем по

допустимым режимам ее работы;

- разработка методики определения критических температур эксплуатации материалов трибопар;

- изучение условий работы сложных трибоконтактов сухого трения, пригодных для работы в условиях интенсивного изнашивания твердого тела, подвергаемого локальной механотермической обработке.

Во второй и третьей главах описываются оборудование, исследуемые материалы, методики проведения экспериментов.

Первоначально в качестве объектов исследования были выбраны образцы тормозных дисков из литого АКМ ВИЛАК (таблица 1). АКМ изготовлен на основе отечественного поршневого сплава АК12ММгН (АЛЗО) и содержит 22 вес% 31Ср. Малая партия вентилируемых дисков, геометрия которых соответствовала конструкции тормозных дисков автомобилей ВАЗ и АЗЛК (диаметр ротора 252 мм, толщина ротора 22 мм), была изготовлена по технологии, разработанной в МГАПИ. Часть дисков в литом, состаренном Т1 (180°С, 5 часов) и закаленном Т6 (510°С, 2 часа, вода, 180°С, 5 часов) состояниях были переданы на ВАЗ для стендовых испытаний.

Таблица 1 Литые АКМ, использованные для производства тормозных дисков.

Обозначения Состав матричного сплава, вес% Наполни тель Произво дитель

Si Fe Си Mn Mg Ni Ti Zn Другие AI SiC

F2D 20S-T5 9 5105 0 81 2 3 035 0 508 0 305 1015 <02 <003 0 030 1 OCI 20,*% Durajcan США

F3S 20S-T61 8595 <11 <02 • 0 45065 ■ <02 - 0030 1 OCT 20,4% Duralcan США

ВИЛАК IIIS - 0,40,7 <0 Л 0,81,5 0,81,3 <0 2 - OCT 22«ec% ВИЛС

Использованный АКМ (Т1,Т6) 12,5 0,4 1,0 - 1,3 1,0 • - - OCT 22BCC% ВИЛС

Фрикционно-износные характеристики дисков определялись на динамометрическом

стенде в натурном узле дискового тормоза автомобиля ВАЗ 2112 по программе N2А методики И1972.37.101.055-88 Испытания по методике FADE, режимы которых были выбраны специалистами ВАЗа, полностью (по условиям нагружения, выбору рабочей температуры и контртела) повторяли требования, принятые на заводе для дисков из чугуна, и никак не учитывали особенностей АКМ (техническая справка ОАО ВАЗ приведена в диссертации). Принципиальное расхождение выводов специалистов ВАЗа и представленных в литературном обзоре тенденций развития тормозных систем за рубежом заставило нас полностью изменить методику выбора и исследования фрикционно-износных характеристик пар трения. В основу дальнейших исследований была положена стандартизованная методика РЦИ (ИМАШ РАН). В качестве объектов исследования были выбраны три АКМ (все АКМ, использованные в России для изготовления таких изделий). В качестве материалов колодки тормоза были выбраны три фрикционных металлокерамики и три фрикционных материала на полимерной основе. Сочетания пар представлены в таблице 2.

Таблица 2. Выбор пар трения на основе априорной информации

№ Материал диска Изготовитель Материал колодки Изготовитель Схема испытаний, лаборатория

1 АЛЗО i 22BCC%SIC ВИЛС Безасбестовый ТИИР 403 НИИАТИ, Ярославль "кольцо-кольцо" ИМАШ РАН

2 AJI30+22BCC%SIC ВИЛС Безасбесговый Fercdo 3434F Ferodo Со, Ltd "кольцо-кольцо" центр "Износостойкость"

3 AJI30+22BCC%SIC ВИЛС СПКМФМК 11 (Fe-Cu-Ba-C) КУЛЗ "кольцо-кольцо" ИМАШ РАН

4 АЛ30+22вес%8С ВИЛС СПКМФМК 845 (Fe-NlC) КУЛЗ "кольцо-кольцо" ИМАШ РАН

5 AJI30+22BCC%SIC ВИЛС СПКМ М-140 (Cu-Fe-C-Zn-Pb) КУЛЗ "кольцо-кольцо" ИМАШ РАН

6 fll6+20o6%SiC ВИАМ ТИИР 403 НИИАТИ, Ярославль "колыю-кольцо" ИМАШ РАН

7 Д16+20об %SlC ВИАМ ФМК 11 КУЛЗ "кольцо-кольцо" ИМАШ РАН

8 Д16+30об %SiC ВИАМ ТИИР 403 НИИАТИ, Ярославль "кольцо-кольцо" ИМАШ РАН

9 fll6+30o6%SiC ВИАМ ФМК 11 КУЛЗ "кольцо-кольцо" ИМАШ РАН

Исследование физико-механических характеристик и структуры АКМ в деталях проводили до и после трибоиспытаний на образцах, вырезанных в соответствии со схемой, показанной на рис.2. Там же показаны места вырезки кольцевых образцов для трибоиспытаний по методике РЦИ.

Геометрия дисков и начальная микроструктура АКМ показаны на рис. 1.

Диски, изготовленные по литейной технологии, и их микроструктура.

Рис.1

Диск изготовленный по порошковой технологии, и его микроструктура.

Геометрия дисков и микроструктура АКМ в изделиях

Рис.2. Схема вырезки образцов для исследований свойств АКМ

Испытания на растяжение проводили на машинах «Инстрон» (цилиндрические образцы типа П по ГОСТ 1497-84) и «Амслер» (цилиндрические образцы тип ПГ по ГОСТ 1497-84). Динамические испытания на изгиб (ЮН и КСЦ) образцов с надрезом проводили по ГОСТ 9454-60 на образцах квадратного сечения 10x10 мм и длиной 55 мм на маятниковом копре. Макро- и микротвердость образцов оценивали на поверхности трения и вглубь от поверхности трения. Металлографический анализ проводили на световых микроскопах НеорЬо1-21 и У1ёео1аЬ, фрактографический анализ изломов - на растровом электронном микроскопе ТЕБЬА ВБ-ЗО!. Фазовый состав и распределение компонентов в

АКМ устанавливали с помощью микрорентгеноспектральттого анализатора Сатвсап-Ьшк АЛ/Ю. Определялись степень насыщенности твердого раствора легирующими элементами, распределение химических элементов (химическая неоднородность) в кристаллах твердого раствора и в эвтектике, на каждом шлифе в нескольких точках проводился количественный анализ состава фаз.

Для оценки шероховатости поверхности диска до и после стендовых испытаний использовали профилограф.

Установлено, что состояние литых дисков, изготовленных из АКМ ВИЛАК, после стендовых испытаний аналогично состоянию, описанному в опубликованных работах. Более того, можно сделать вывод о принципиальной пригодности этого АКМ в состаренном состоянии (Т1) для работы в существующих условиях силового, теплового и скоростного нагружения тормозов легковых автомобилей, но должен быть осуществлен выбор специального материала накладки тормоза.

Проведенные исследования подтвердили, что оптимизация работы узла трения невозможна без оценки динамики структурных изменений у поверхности сопряжения трущихся тел. Основной задачей дальнейшего исследования должен был стать выбор пары трения и изучение структурной приспособляемости изучаемых пар.

Третья глава посвящена исследованиям закономерностей высокоскоростного износа и формирования структуры и свойств поверхностного слоя АКМ по методике РЦИ. Метод включает в себя оценку динамики саморазогрева образцов при рабочих режимах, определение критической температуры и условий, приводящих к разогреву образца АКМ до температуры плавления, определение предельной допустимой нагрузки, исследование износа, величины и стабильности коэффициента трения, оценку поврежденносга за счет схватывания и переноса материала с одной поверхности на другую, износа за счет смятия. Ранее эта методика была использована профессором ЭДБрауном для изучения пары СЧ25 -ТИИР403. Испытания проводили на машине УМТ-1 по схеме «кольцо-кольцо» с коэффициентом взаимного перекрытия Кю=1, давлении 0,5-1,5 МПа, частоте вращения 100-2000 мин"1. Длительность испытания составляла 15 минут. Определяли скорости скольжения, пути трения образцов, средние коэффициенты трения за цикл, максимальные температуры разогрева образцов в цикле испытаний и оценивали линейный, весовой и энергетический износ каждого образца. Были установлены зависимости значений коэффициентов трения и энергетического износа от скоростей скольжения и нагрузок, определены критические значения Р,ф и У,ф и фрикционные теплостойкости всех исследованных трибопар. Все испытания пар АКМ-металлокерамика заканчивались сваркой образцов.

Микроструктурные исследования (рис.3) таких образцов показали, что относительный сдвиг прекращается при наличии толстой прослойки нового материала ("третьего тела"), формируемого из продуктов износа.

Как видно на рисунке, микротвердость нового материала существенно выше, чем у исходных продуктов. Вынос части разрушенных материалов из зоны трибоконтакта произошел без расплавления и повторной кристаллизации АКМ и металлокерамики.

Исследование пар АКМ - полимерные фрикционные материалы показало, что РЕЯ 3434Р и отечественный ТИИР 403 - это очень перспективные материалы для диссипации энергии в паре с литым АКМ в состаренном состоянии.

Структурная приспособляемость и износ пары трения АКМ АЛ30+22вес%8Ю - ТИИР 403 изучались на образцах, термообработанных по режиму старения (Т1) и закалки (Т6). Установлено, что, несмотря на общее подобие в характере изменения трибохарактеристик, структурная приспособляемость материалов и износы заметно различаются при

*

изменении режима термообработки, что отражается в различии структуры и состава поверхностных слоев АКМ после трибоиспьгганий.

а) микроструктура зоны трибоконтакта

^ -»наЦГ, |

б) изменение диагонали отпечатка алмазной пирамидки в зоне трибоконтакта (Р~10г, Ну=18540/ё2, [(!] -мкм).

ч.

' • к а* >0 М- ме-

Рис.3. Изменение микротвердости материалов в зоне трибоконтакта АКМ - ФМК11 (п=1000мин"\ р=1,0МПа).

У закаленного АКМ структурные изменения незначительны и захватывают слой толщиной 30-50 мкм. В контактном слое толщиной примерно 14 мкм концентрация частиц вЮ резко возрастает за счет уменьшения доли твердого раствора, ориентация частиц становится более выраженной, макротвердость вдоль дорожки трения возрастает от 140 до 190 НВ, микротвердость а-твердого раствора возрастает с 85 до 91 Но (нагрузка 20 г), размеры частиц эвтектического кремния резко уменьшаются, концентрация растворенного кремния в а-растворе на расстоянии примерно 30 мкм от поверхности возрастает примерно до 3,47%. Микрорептгеноспектральный анализ на установке "Сатвсап-1лпк" пе выявил других изменений в микроструктуре образца, хотя металлографические исследования позволяют говорить о возможности пластических коллективных поворотов частиц вЮ.

В состаренном АКМ у поверхности трения появляется промежуточный слой, отличный от структуры основного материала. Толщина слоя достигает 100 мкм. Концентрация алюминия в слое уменьшается в среднем от 96% до 86%. Концентрация кремния составляет 9,4%, пики кремняйсодержащих фаз по мере приближения к контактной поверхности монотонно снижаются до нуля: слой состоит из измельченных и консолидированных частиц размером менее 1 мкм. Макротвердость образца вдоль дорожки трения почти не изменяется (100НВ), микротвердость в сравнении с твердым раствором возрастает почти вдвое (с 63 до 121 Но). В зоне пластических сдвигов на расстоянии до 250 мкм зафиксирована повышенная (2,2 - 2,8%) концентрация кремния в а-твердом растворе. В обоих состояниях АКМ микротрещин при исследованных условиях нагружения не обнаружено.

В ходе исследований было проведено сравнение пар СЧ25-ТИИР403 (данные Э.Д.Брауна) и АКМ-ТИИР403. Установлено, что если наилучшую пару выбирать по равной мощности (руф трения, то бесспорное преимущество за композитом, подвергнутом закалке, т.к. у такой пары рабочая температура снижается более чем на 100°С. Однако если по какой-либо причине рабочая температура достигнет 350°С, коэффициент трения пары АКМ(Т6)-ТИИР403 снижается до уровня Г =0.1, что считается недопустимым. Подобного снижения не происходит у пары с АКМ в состаренном

состоянии, удовлетворяющей требования по фрикционной теплостойкости и имеющей наименьший износ из трех сравниваемых пар.

АКМСП), работающий в паре с металлокерамиками, в исследованных диапазонах нагружения показывает более высокий (в 2-4 раза) средний коэффициент трения по сравнению с ТИИР-403. Во всех случаях величина коэффициента трения выше той, которая на настоящий момент времени установлена для тормозов легковых автомобилей. Повышение коэффициента трения при одинаковых условиях нагружения приводит к пропорциональному увеличению мощности трения, в результате чего резко повышается интенсивность износа. Одновременно значительно сужается диапазон допустимых скоростей, где износ материала диска и контртела минимален.

Четвертая глава посвящена разработке повой методики определения критических температур эксплуатации выбираемых пар материалов и исследованию процессов, ответственных за структурообразование (структурную приспособляемость), связанное с диссипацией энергии в АКМ.

Сухое трение конструкционных материалов достаточно подробно изучено. Особенностью структуры изнашиваемого металла обычно является слоистость строения. Установлено, что у исследованных АКМ область с измененной структурой имеет четкую границу раздела с исходной и после завершения ИДИ состоит из пограничного слоя, называемого в трибологии «третьим телом», и интенсивно деформированной зоны (подслоя Сен-Венана). На ранних стадиях РЦИ, характеризуемых низкими мощностями трения, «третье тело» отсутствует или образуется локально.

Часть пограничного слоя, называемая "третьим телом", играет определяющую роль в поведении любой пары сухого трения при высоких мощностях трения. Структура "третьего тела" и движение веществ в нем сложны и непостоянны во времени. Стационарные состояния этого тела представляются как динамическое равновесие процессов разрушения н восстановления атомно-молекулярных связей частиц диспергированной среды. Происходит рассеивание энергии, которое может сопровождаться различными кооперативными движениями, в том числе связанными с потерей массы (выносом диспергируемого материала из зоны контакта) Одновременно такое движение принципиально влияет и на характер пластической деформации в подповерхностном слое.

В процессе трения "третье тело" представляет собой материал, находящийся в состоянии турбулентного (перемешивающего) течения. Неограниченный сдвиг в такой среде, содержащей ансамбли частиц и дефектов различной природы и масштабов, предопределяет движение вещества в ней как связанный многостадийный стохастический процесс, развивающийся на различных масштабных уровнях. С позиций конструирования физических моделей, "третье тело" - это распределенная динамическая система ансамблей твердых веществ микро- и мезоуровней, в которой частицы диспергированной среды могут перемещаться в пространстве за счет диффузии и миграции, формируя, в конечном счете, новую структуру.

Смена масштабов фрикционного разрушения, а также структурного состояния вещества поверхностных слоев происходят немонотонно, но естественно предположить, то» различающиеся по своей организации и замещающие друг друга процессы обладают свойством самоподобия и разделены выделенными И.В .Крагельским несколькими критическими точками, характеризующими скачкообразное изменение интенсивности изнашивания. Рассматриваемые отдельно и анализируемые независимо друг от друга экспериментальные функции /(1) и Тф, определяемые в процессе РЦИ, не позволяют выделить критические состояния. В стандартной методике эти данные используются для построения зависимости / - Тща*, называемой фрикционной теплостойкостью (рис.4а). Экспериментальное определение условий перехода от стадии 1 к стадии 2, от стадии 2 к стадии 3 и тд. нами было осуществлено на учете фактора времени путем построения диаграмм /(0 - Тф (рис.4 б,в). Пороговые значения /* и Т*, отвечающие моменту

принципиальной перестройки структуры и приводящие к образованию сплошного перемешанного слоя, определяли по моменту спонтанного снижения коэффициента трения и мощности трения при незначительном снижении температуры у поверхности трения. Следующий переход (точка С на линии АВ) связан с появлением на поверхности трения множественных источников локального разогрева. Эта точка, характеризуемая примерными параметрами ^=0,27 и Т*=318 С (Ы*=76,5Нм/с), является точкой бифуркации для поверхностной температуры. Диссипация энергии в более мощных, чем предшествующие, процессах при достижении линии АВ сопровождается непрерывным ростом температуры поверхности при постоянстве коэффициента трения. Можно выделить несколько различающихся критических переходов до достижения температуры плавления АКМ у поверхности трения. Эти точки делят все многообразие процессов интенсивного изнашивания на ряд стадий. 1-я стадия процесса интенсивного изнашивания - абразивное изнашивание трибоконтакта, - хорошо описывается в рамках модели Аксена и Хатчингса (Приложение 2 диссертации). В системе реализуется только один диссипативный процесс - разрушение поверхности трения и удаление разрушенного слоя в окружающую среду. В паре АКМ - ТИИР 403 это состояние АКМ характеризуется низкими мощностями трения и стремлением к росту коэффициента трения на всей стадии процесса нагружения. Эти состояния АКМ ограничиваются точкой А на рис.4. 2-я стадия процесса интенсивного изнашивания, - стадия приспособляемости, - отвечает переходу от диссипации энергии на локализованных участках поверхности контакта к диссипации в сплошном слое ("третьем теле") в момент самоорганизации его наиболее устойчивой конфигурации. Интенсивность износа минимизируется.

1

1

а) О 100 100 300 400 500 Т -

Рис.4. К определению момента обострения и пороговых значений / и Т при многократном (РЦИ) и однократном нагружении пар АКМ - ТИИР 403.

Время, как фактор процесса, начинает играть определяющую роль при возникновении и развитии нестационарных диссипативных структур. В результате экспериментального исследования состава и структуры АКМ у поверхностей трения нами было сделано предположение, что ситуации, в которых протекают самоорганизующиеся процессы перестройки "третьего тела", предсказуемы, самоподобны и могут быть описаны методом отображений с использованием итерационного соотношения типа:

Х„+1=11(Х„), (1)

где Х„ и Хп+1 - некоторые энергетические характеристики пороговых состояний продуктов износа истираемого материала в моменты перестройки.

Конкретным выражением соотношения (1) может быть уравнение вида

Хп/Хп+1= Др1Лп

(2)

где Др - мера устойчивости самоподобного преобразования, а т - показатель перестроек при адаптации «третьего тела» к изменению внешних условий.

Для экспериментального определения критических параметров процессов изнашивания трибологи используют различные комбинации параметров внешних воздействий. Наиболее распространенными являются комбинации "нагрузка - скорость -температура" (критерий РуТ) и "нагрузка - скорость - коэффициент трения" (критерий Ру/). С критериями первого типа связывают условия, выявляющие роль градиентов температуры в ослаблении связей вдоль границы контакта и снижении напряжений течения пограничного слоя. С критериями второго типа связывают диссипативные характеристики "третьего тела" Естественно в качестве характеристик состояния перемешиваемого материала использовать значения пороговой мощности трения

Г*» =РуР . (3)

В качестве критерия устойчивости перехода, порождающего самоподобную последовательность итерации (1), было использовано первое значение ряда обобщенных золотых пропорций, в результате чего формула (2) преобразуется к виду:

К*„ = М*л+10,б18"т. (4)

Показатель ш в работе найден также по экспериментальным данным, используя критерий типа (РуТ). Окончательно уравнение связи приняло вид

К*„ = Н*,+Г0,6181/2. (5)

В работе показано удовлетворительное совпадение экспериментально определенных значений пороговых мощностей и величин, вычисленных по уравнению (5). Оба подхода и традиционный (РЦИ), и изложенный выше были использованы при анализе влияния типа А КМ (литой - порошковый) на трибохарактеристики пар АКМ - ТИИР403 и диссипативные процессы, ответственные за рассеяние энергии. Исследования показали, что при одинаковых нагрузках снижение объемной доли наполнителя в порошковом АКМ до 20% ведет к более интенсивному росту температуры образца и развитию пластической деформации в подповерхностном слое (слое Сен-Венана) на большую глубину, что опасно для работоспособности диска. Увеличение концентрации наполнителя в порошковом АКМ до 30% приближает его характеристики к свойствам литого АКМ.

Пятая глава имеет прикладной характер и посвящена изучению условий и результатов работы сложных трибоконтакгов сухого трения, используемых при ЛМП. СТП и ЛМП -это новейшие приобретения технологий заготовительных производств в машиностроении. Однако физическая сущносгь процессов, обеспечивающих достижение требуемых результатов обработки, мало изучена. Процессы построены на использовании сухого трения, но анализ износных характеристик используемых пар не проводился, а роль механизмов переноса продуктов износа в формировании структуры перемешанного слоя металла никем до настоящего времени не изучалась.

Как видно на рис.3, при интенсивном изнашивании сохраняемая толщина слоя продуктов износа между трущимися металлическими поверхностями может быть достаточно большой, а структура и свойства формируемого нового материала могут быть заметно улучшены. Процесс ЛМП осуществляется следующим образом: вращающийся инструмент внедряется в деталь на полную глубину индентора (до опоры инструмента), стабилизируется температура контакта, а затем вращающемуся инструменту придают движение относительно обрабатываемой детали по заданной траектории на поверхности. Таким образом с помощью гладкого инструмента из инструментальной стали Р6М5 (Ш1С=бЗ-65) нами была осуществлена ЛМП и исследовано влияние режимов ЛМП на химический состав и структуру перемешанных слоев в плоских заготовках из сплавов Д16

и АЛ4, используемых в качестве матричных сплавов АКМ. Обработку проводили на глубину 8 мм при диаметре индентора ~ 8 мм. Частота вращения инструмент - 800 мин"1, скорость подачи - 34-160 мм/мин. После обработки (рис.5) исходная литая дендритная структура переходит в новый тип структуры, которую можно сравнить только со структурой «третьего тела». В ней нет ничего, что характерно только для интенсивной пластической деформации или кристаллизации.

До перемешивания После перемешивания

Рис.5. Изменение свойств сплава АЛ4 при перестройке дендритной структуры в процессе

ЛМП.

В результате проведенного исследования установлено, что при такой обработке в пластическую деформацию активно вовлекается подповерхностный слой, причем направление линий скольжения в изученных сечениях этого подслоя обработанного металла совпадает с направлением течения продуктов износа. Направление линий скольжения может не совпадать и быть даже противоположным направлению движения инструмента. Такой эффект наблюдается в зоне, расположенной под индентором Установлено, что химический состав сплавов Д16 и AJI4 после обработки на всех режимах не изменился, а продукты износа инструмента в составе перемешанного слоя отсутствуют. Количественные оценки размеров кремниевой фазы в сплаве АЛ4 показали, что происходит интенсивное дробление кремния (примерно в 5 раз) и равномерное перемешивание с а - твердым раствором. Из перемешанного слоя были вырезаны образцы для механических испытаний. Установлено, что характеристики сплава AJI4 изменились следующим образом: произошло уменьшение предела прочности материала с 240 МПа до 180 МПа и многократное увеличение (в 16 раз!) пластичности. Таким образом, было показано, что при ЛМП у поверхности трения реализуются условия неравновесного структурного перехода, происходящего в интервале температур, превышающих температуру точки С на линии АВ, но не доводящих материал до плавления.

Общие выводы и результаты работы

1. Показано, что из всех АКМ, для производства которых использован один тип и одна марка армирующего наполнителя вКЗр, наилучшими служебными свойствами в парах сухого трения обладает литой АКМ, при изготовлении которого не происходит заметного изменения размеров частиц БЮ. Установлено, что в литом АКМ диссипативные

процессы, порождаемые трением и вызывающие структурные изменения в зоне трибоконтакта, захватывают минимальный объем материала.

2. Доказано, что АКМ отечественного производства (литой АКМ на основе жаропрочного сплава АЛЗО, содержащий 22 вес% и порошковый АКМ на основе сплава Д1б, содержащий 30 об% 8ЮР) при правильном выборе контртел могут быть использованы во всех конструкциях существующих фрикционных пар сухого трения.

3. По стандартизованной методике РЦИ (ИМАШ РАН) определены коэффициенты трения, износ и фрикционные теплостойкости пар трения, ранее не использованных в отечественном машиностроении. Доказано, что использование пары литой АКМ(Т1) -ТИИР403 дает результат, близкий к фрикционной теплостойкости пар СЧ25(СЧ20) -ТИИР403 во всех диапазонах используемых уровней нагружения (Р,у). Одновременно по интенсивности изнашивания диска и накладки тормоза, по способности узла трения максимально отводить тепло пара АКМ - ТИИР403 значительно превосходит пару СЧ25 -ТИИР403.

4 Разработана новая методика определения критических температур эксплуатации изучаемых пар трения. Показано, что для каждой конкретной пары материалов можно выделить условия нагружения, устанавливающие пороговые состояния системы, претерпевающей динамическую перестройку «третьего тела». Установлено, что с помощь диаграмм ВД - Т(0 у АКМ выявляются критические состояния. В частности, может быть определена критическая точка, которая является точкой бифуркации (точкой раздвоения) для пороговой температуры поверхностного слоя изучаемой пары трения Для пары АКМ(Т1 )-ТИИР40 эта точка определяется координатами: Р=0,27; Т*=318°С (N»=76,5 Нм/с) Устойчивая работа данного АКМ в тормозах и муфтах сцепления должна осуществляться при меньшей, чем К*, пороговой мощности трения.

5. Показано, что связь между критическими точками может быть установлена методом отображений с использованием итерационного соотношения вида Х„+1 = Ь(Х„). Если в качестве критерия состояния продуктов износа в момент перехода, порождающего преобразования в перемешиваемом материале, использовать значения пороговой мощности трения = РуР, а в качестве критерия устойчивости переходов использовать первое значение ряда обобщенных золотых пропорций

р = 0,618, то уравнение связи приводится к виду

Л*,/К*н.1 = 0,618,/1

Число ш=2 является для данной пары универсальным показателем структурной приспособляемости, найденным из эксперимента.

6. Показано, что диссипация энергии в тормозах и в технологических процессах СТП и ЛМП имеет общую физическую природу и различается только рабочими температурами, интенсивностями изнашивания материалов пар и целевым использованием продуктов износа («третьего тела»). Изучены пути переноса вещества у фронтальной поверхности инструмента при ЛМП. Показано, что эффективное управление процессом заключается в создании условий, способствующих движению продуктов износа под индентор.

7. Произведена количественная оценка изменений состава и структурных изменений в перемешанном слое металла. Установлено принципиальное изменение механических характеристик сплава АЛ4 в результате ЛМП. Средние характеристики прочности и пластичности составили:

до обработки ав=238 МПа, е=1,0%; после обработки ае=180 МПа, е=16,0%.

Основное содержание иН^ отражено в следующих публикациях:

1. Особенности структуры и свойства поверхностных слоев литых металлокомпозитов при трении с высокими нагрузками / Семенов Б.И., Семенов А.Б. // Труды МНТК.-Москва, 1997.-с.15Ы53.

2. Особенности формирования трибоконтакта пары трения "алюмоматричный композит -контртело" в условиях сухого трения. / Семенов А.Б., Лаппшнов Ю.П., Семенов Б.И. // Труды МНТК. Севастополь-Москва. 1997, -Т.2 -с.28-39.

3. Моделирование триботехнического процесса сухого трения пары «алюмоматричный композиционный материал - накладка тормоза» / Семенов Б.И., Семенов А.Б. и др.// Материаловедение.-1999.-№1 .-с.34-38.

4. Зарождение и эволюция самоорганизующихся структур в паре сухого трения «алюмоматричный композит-накладка тормоза» / Семенов Б.И., Семенов А.Б., Игнатова Е.В.//Материаловедение.-2000.-№3.-с.27-34.

5. Зарождение и эволюция самоорганизующихся структур в паре сухого трения «алюмоматричный композит-накладка тормоза» /Семенов Б.И., Семенов А.Б., Игнатова Е В. // Тез.докл. Междисц. сем. «Фракталы и прикладная синергетика» - Москва, 1999.-с.70-71.

6. Неустойчивые динамические состояния системы - основа новых технологий обработки металлических материалов и композитов/ Семенов Б.И , Семенов А.Б., Солодилов С.А.// Труды МНТК.-Уфа, 2004.-Ч.2.-С.58-64.

Подписано к печати 20.10.2005г. Зак. 330 объем 0,75пл. Тир. 100 Типография МГТУ им. Н.Э Баумана

РНБ Русский фонд

2006-4 15217

Введение.

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Абразивный износ и фрикционное поведение многофазных сплавов и композитов.

1.2. Изнашивание при скольжении и трении АКМ.

1.3. Анализ работы матричных сплавов и АКМ в трибосопряжении с учетом теории совместимости трибопары.

1.3.1 Основные положения теории совместимости трибопар.

1.3.2. Экспериментальные исследования совместимости материалов трибопар, в которых использованы алюмоматричные композиты.

1.3.3. Обоснование выбора условий работы алюминиевого композита для тормозного диска скоростного поезда.

1.3.4. Использование литых АКМ в тормозных дисках автомобиля в США и Канаде.

1.4. Особенности структуры поверхностных слоев алюминиевых сплавов и алюмоматричных композитов при трении с высокими нагрузками.

1.5. Новые способы сварки и глубокой поверхностной обработки материалов трением и перспективы их применения в машиностроении.

1.5.1. Процесс и инструменты для его осуществления.

1.5.2. Структура и свойства материала, подвергнутого СТП и ЛМП.

1.6. Выбор и обоснование направлений исследований.

Глава II. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АКМ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ТОРМОЗНЫХ ДИСКОВ ИЗ АКМ.'.

2.1. Методики исследования и свойства АКМ в литых дисках.

2.2. Общие требования к трибопаре "диск из АКМ-контртело".

2.3.Техническая справка ОАО ВАЗ ТС-33838/2112-35 по результатам испытаний вентилируемых тормозных дисков, изготовленных из упрочненного алюминиевого сплава.

2.4. Исследование материала дисков после стендовых испытаний.

Глава III. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ИЗНОСА АКМ И КОНТРТЕЛ В ПАРАХ СУХОГО ТРЕНИЯ.

3.1.Испытательная установка УМТ-1 и особенности испытаний по схеме "кольцо - кольцо ".

3.2. Моделируемые материалы тормозного диска и накладки тормоза.

3.3. Определение износа, интенсивности изнашивания, коэффициента трения и температуры саморазогрева.

3.4. Пример регистрации и обработки результатов измерений.

Пары трения АКМ Т1 - СПКМ.

3.5. Анализ результатов исследования и рекомендации по выбору контртел для тормозного диска из литого АКМ.

ГЛАВА IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ОБОСТРЕНИЯ И ПОРОГОВЫХ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУР И МОЩНОСТЕЙ ТРЕНИЯ. УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕМ ВДАЛИ ОТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ.

4.1. Самоподобные преобразования "третьего тела" при интенсивном изнашивании.

4.2. Структурная приспособляемость и моменты обострения в паре "АКМ -ТИИР403".

4.3. Диссипативные процессы и структурные изменения в объеме поверхностного слоя АКМ.

4.4. Структурообразование вдали от термодинамического равновесия, трибологический процесс и пороговые состояния материала, определяющие эффективность работы узлов сухого трения.

ГЛАВА V. НЕУСТОЙЧИВЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА В ПАРЕ СУХОГО ТРЕНИЯ - ОСНОВА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И КОМПОЗИТОВ.

5.1. Фронтальная поверхность трения в процессах СТП и ЛМП.

5.2. Экспериментальное изучение процессов переноса у фронтальной поверхности инструмента по состоянию микроструктуры перемешиваемого металла.

5.3. Состав, структура и механические свойства перемешанного металла.

Выводы.

Актуальность проблемы. Трибопары сухого трения находят все более широкое применение в машиностроении. Управление трением, правильный выбор материалов по характеристикам трения и износа, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин, оптимизация условий эксплуатации могут существенно продлить срок жизни и повысить эффективность машин. Автомобильный тормоз - один из таких узлов. Работа тормозных дисков автомобилей построена на изнашивании поверхности изделия, сопровождаемом интенсивным разогревом детали и теплообменом с окружающей средой. У дисков, изготавливаемых из чугуна, экстремальные условия эксплуатации определяются испытаниями по методике FADE и ассоциируются с максимальными температурами 650-700°С. (рис.ВЛа). Использование композиционных материалов углерод-углерод и углерод-керамика (SiC) позволило одновременно в несколько раз снизить массу диска и поднять рабочую температуру узла трения до 1400°С. Особое место в этой нише занимают металломатричные композиты на алюминиевой основе (АКМ), армированные частицами SiC, отличающиеся от всех других фрикционных материалов очень высокой теплопроводностью. Результаты моделирования испытаний FADE подтвердили, что при использовании тормозных дисков из АКМ, которые в два раза легче аналогичных чугунных, одновременно при одинаковой мощности трения вдвое снижается максимальная температура узла трения (рис.В.1б).

Развитие науки, техники и технологий ведет к ужесточению и усложнению режимов работы машин, а значит и узлов трения по решаемым задачам, нагрузкам, скоростям, температурам, диссипируемым энергиям, вибрации, условиям воздействия различных сред и т.д. В зависимости от условий трения и назначения узла меняется и комплекс требований к материалам. Опыт эксплуатации тормозов и муфт сухого трения показывает, что при создании износостойких пар трения следует основываться на физических и механических свойствах контактирующих тел и разделяющих их пленок и покрытий. В тоже время ни одна из механических характеристик, взятая в отдельности, не может служить надежным критерием при выборе износостойких материалов. В процессе трения происходят изменения структуры и свойств материалов. Их сопротивление изнашиванию определяется не столько исходным уровнем прочностных свойств, сколько свойствами новых структур, возникающих на поверхности трения.

700.00 600.00 О 500.00 g 400.00 8.

Е 300.00 £

200.00

100.00 б) моделирование испытаний дисков из АКМ различной конструкции

Рис.В.1. Моделирование испытаний тормозного диска по методике FADE[63]

Структура, формирующаяся на поверхности трения материалов, возникает либо как следствие упрочнения слоев металла по мере их износа за счет наклепа и диффузионных процессов, либо как результат разрушения и механического перемешивания продуктов износа поверхностных слоев контактирующих сред. При этом снижается интенсивность изнашивания, она приобретает минимальный характер. Благодаря структурной приспособляемости можно максимально использовать способность материалов к упрочнению и положительное влияние внешней среды на а)сравнение результатов моделирования и стендовых испытаний чугунного диска

Test Data

CAE Sirulation (Cast iron)

0 100 200 300 400 500 600

Time (sec) трение и изнашивание, а также создавать новые материалы путем направленного использования сухого трения.

Создание тормозного диска из АКМ и выбор для него оптимального контртела — сложная научно-техническая проблема, требующая комплексного исследования механических, технологических и служебных свойств (трибохарактеристик) материалов используемых пар трения. Рациональное использование АКМ в тормозных дисках автомобиля возможно только на основе глубокого материаловедческого анализа структурной приспособляемости этого нового класса материалов к условиям сухого трения.

Управление сухим трением и износом становится основой новейших технологий соединения однородных и разнородных металлов и композитов в твердом состоянии.

Сварка трением с перемешиванием (FSW, СТП в русской транскрипции) или стимулируемая трением сварка — перспективный новый триботехнологический метод, развитый, регулярно совершенствуемый и широко используемый в последнее десятилетие. Он позволяет достаточно просто сваривать без пористости и трещин как традиционно свариваемые сплавы, так и те, которые ранее поддавались сварке очень трудно. Метод прост в осуществлении, экономически очень эффективен, легко поддается автоматизации. Наиболее широкое промышленное освоение этот метод получил при сварке алюминиевых сплавов.

Трибопроцесс, используемый в методе СТП для получения монолитного соединения состыкованных деталей, в сравнении с механотермическим формированием (МТФ, [1]) и жидкофазной сваркой алюминиевых сплавов обладает тремя важными металлургическими достоинствами: во-первых, соединение в твердой фазе исключает образование дефектов (несплошностей), всегда сопровождающих жидкофазные процессы, так как резко снижено влияние усадочных процессов и в шве отсутствуют кристаллизационные горячие трещины; во-вторых, не происходит потерь элементов соединяемых материалов из-за испарения, что обеспечивает сохранение химического состава сплава в зоне термического влияния; в-третьих, дробящее, перемешивающее и сжимающее действие сварочного инструмента создает в стыке деталей более мелкозернистую структуру, чем та, которую имели исходные материалы.

Зарубежные источники сообщают о широких перспективах использования СТП в различных отраслях промышленности (таблица 1).

Таблица 1.

Производства, где метод СТП нашел основное применение[38].

Отрасль Применение

Космическое машиностроение пространственные фермы, топливные баки, присоединение оболочек из специальных сплавов

Производство алюминия крупногабаритные прессованные изделия, погружаемые в море трубопроводы

Автомобилестроение пространственные фермы, шасси (автобусы и трейлеры), диски колес, крупногабаритные несущие баки

Строительство мосты, внешние присоединяемые блоки

Железнодорожный транспорт вагоны и шасси пассажирских вагонов для скоростных поездов

Рефрижераторы криогенные трубы и теплообменники

Судостроение корпуса, отсеки и внутренние конструкции для легких высокоскоростных судов

Сосуды давления контейнеры сжиженного газа.

В последние годы метод СТП получает более широкое применение, чем только сварка. Развитие происходит в направлениях, имеющих самостоятельное значение для большинства отраслей машиностроения. В частности, тем же институтом TWI запатентован вариант метода СТП вращающимся плоским расходуемым (изнашиваемым) инструментом. Метод позволяет производить без расплавления соединяемых деталей не только сварку металломатричных композитов, но также осуществлять нанесение на металлические поверхности слоев покрытий из порошков различных составов, включая порошки. металломатричных композитов, интерметаллидов и других соединений. Пример композитного покрытия, нанесенного таким способом на алюминиевую пластину, показан на рис.В.2 а) б)

Рис.В.2 Макроструктура (а) и микроструктура (б) покрытия в поперечном сечении алюминиевого полуфабриката. Покрытие является композиционным материалом с алюминиевой матрицей, содержащим около 50% частиц SiC[62].

В промышленном масштабе используется технология глубокой поверхностной механической обработки внедряемым трущимся инструментом, в которой разрушение и механическое перемешивание материала подложки используются для принципиального изменения структуры и механических свойств металла детали в локальных объемах фасонного изделия. Как отмечалось выше, тенденции развития техники ведут к ужесточению режимов работы машин. Так, необходимость повышения мощности автомобильного дизельного двигателя привела к повышению давления в камере сгорания от 12 МПа до 15 МПа. Как следствие, повысились тепловые нагрузки на головку блока. Изготавливаемая литьем из алюминиевого сплава AC4D (отечественный аналог - сплав АК5М2) головка блока перестала удовлетворять требованиям по термической усталости материала в окрестности отверстий, формирующих выпускные каналы. Долгое время японские специалисты для улучшения структуры металла проводили дополнительную поверхностную обработку таких деталей, используя локальное плавление и быструю кристаллизацию металла поверхностного слоя вдоль выделенных траекторий (рис.В.За). а) б)

Ois <2 015 О 015 О 015

21 Q)

У1о

-fН

Рис.В.З. Схема поверхностной обработки головки блока цилиндров автомобильного двигателя методом локального плавления и методом локального механического перемешивания (ЛМП); (а)- траектория движения источника нагрева, (б)- траектория движения внедряемого инструмента[61].

В 2001 г. специалисты фирмы Mazda Motors Corp. [61], (Япония), используя концепцию СТП процесса, запатентовали новый метод поверхностной обработки для принципиального изменения структуры и свойств того же сплава в области траектории движения инструмента (рис. ВЗб), работающего в режиме сухого . трения. Как следствие, были значительно улучшены пластичность, термическая усталость и стабильность свойств материала без изменения его химического состава в локальной области той же детали.

Конструктора требуют новых материалов и технологий для решения своих вопросов, но новые процессы изучены недостаточно. В этой связи исключительное значение приобретают работы в области триботехнического материаловедения, а также теоретические и экспериментальные исследования в области физико-химической механики процессов трения и изнашивания с использованием новейших испытательных средств и измерительной техники и новых теоретических концепций трибологии [1], которые, с одной стороны, помогают изыскать новые способы снижения потерь на трение и повысить износостойкость машин, приборов и оборудования, а с другой - помогают раскрыть не использованный полностью потенциал традиционных сплавов.

До настоящего времени мало внимания уделяется моделированию испытаний материалов, приближенных к условиям эксплуатации, и обоснованному выбору оптимальных пар, что может стать причиной неудачных экспериментов, ошибочных выводов и рекомендаций (глава II, раздел 2.3).

В диссертационной работе основное внимание уделяется изучению износа композиционных материалов, армированных частицами SiC, и их матричных алюминиевых сплавов, изучена динамика явлений и структурные превращения в зоне трибоконтакта. Параллельное использование методики рационального цикла трибологических испытаний (РЦИ, разработанный в ИМАШ РАН) и современных методов материаловедческих исследований применительно к новому классу материалов позволило не только произвести выбор оптимальной трибопары "диск тормоза из АКМ - накладка тормоза", но и дало возможность предложить новый взгляд на физическую природу процессов, ответственных за качество результатов при обработке (СТП и ЛМП) металлов специальным инструментом, работающим в режиме сухого трения.

Научная новизна полученных результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней обоснованы условия эффективного использования нового класса конструкционных материалов - АКМ в качестве фрикционных. Автором впервые получены следующие результаты:

1. Показано, что в рамках стандартизованной методики рационального цикла трибоиспытаний (РЦИ, ИМАШ РАН), но используя динамические зависимости коэффициента трения от температуры (/(t) - T(t)), можно определить условия, в которых процесс установившегося изнашивания протекает устойчиво, выделить моменты обострения, оценить пороговые мощности трения и соответствующие критические состояния исследуемого АКМ, когда процесс установившегося изнашивания переходит в режимы, при которых разрушение системы (вследствие очень высокой скорости подвода энергии) становится непредсказуемым.

2. Экспериментально определена универсальная связь между критическими параметрами, устанавливающая зависимость и контролирующая границы переходов от стадии приработки к стадии приспособляемости, от стадии приспособляемости к стадии катастрофического износа АКМ.

3. Для изученных пар трения определены диапазоны устойчивых состояний изнашивания, когда процесс сухого трения можно практически использовать для минимизации износа материалов.

4. Доказано, что не пластифицирование и объемная пластическая деформация, а разрушение, перетекание и последующая консолидация не удаляемых продуктов износа одного из контактирующих тел при сухом трении являются доминирующим и важнейшим механизмом перестройки (неравновесных превращений) в твердом состоянии, принципиально изменяющим структуру и свойства материала.

На защиту выносятся перечисленные новые научные результаты.

Практическая ценность представленной работы заключается в том, что в ней впервые определены трибохарактеристики (коэффициент трения, износостойкость, фрикционная теплостойкость) отечественных АКМ, армированных керамическими частицами, установлены рациональные режимы их эксплуатации в тормозных системах и одновременно доказана возможность, используя те же принципы и на основе единого для сухого трения методологического подхода, в десятки раз повысить пластичность матричных сплавов и АКМ в локальных (но достаточно больших) объемах фасонных деталей, не снижая их прочностных характеристик.

Достоверность результатов исследования подтверждается данными физических экспериментов, совпадением установленной для АКМ критической температуры, близкой к 320°С, с более поздними полученными американскими исследователями результатами компьютерного моделирования трибоиспытаний автомобильных тормозных дисков из АКМ, а также результатами проведенных механических испытаний образцов материала, структура которого была изменена в процессе трения.

Личный вклад автора состоит в разработке методики определения критических состояний изнашиваемого материала в пограничном слое, изучении износа и фрикционной теплостойкости матричных алюминиевых сплавов и АКМ на их основе, анализе и обобщении полученных результатов, обосновании новых технических решений и режимов локальной механотермической обработки материалов методом сухого трения.

Апробация основных результатов проводилась на международных научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: «Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов»(г. Сергиев Посад, 1997), «Моделирование и исследование сложных систем » (г. Чехов, 1998; г. Севастополь, 1997,1999), «Фракталы и прикладная синергетика» (г. Москва, 1999), «Прикладная синергетика - 2» (г. Уфа, 2004).

По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 5 статей, тезисов докладов в научно-технических журналах и сборниках. Диссертация состоит из введения, 5 глав и 2 приложений. Содержит 198 страниц текста, 130 рисунков, 28 таблиц. Список литературы

Основные выводы:

1. Показано, что из всех АКМ, для производства которых использован один тип и одна марка армирующего наполнителя SiCp, наилучшими служебными свойствами в парах сухого трения обладает литой АКМ, при изготовлении которого использован сплав AJI30 и не происходит заметного изменения размеров частиц SiC. Установлено, что в литом АКМ диссипативные процессы, порождаемые трением и вызывающие структурные изменения в зоне трибоконтакта, захватывают минимальный объем материала.

2. Доказано, что АКМ отечественного производства (литой АКМ на основе жаропрочного сплава AJ130, содержащий 22 вес% SiCp, и порошковый АКМ на основе сплава Д16, содержащий 30 об% SiCp) при правильном выборе контртел могут быть использованы во всех конструкциях существующих фрикционных пар сухого трения.

3. По стандартизованной методике РЦИ (ИМАШ РАН) определены коэффициенты трения, износ и фрикционные теплостойкости пар трения, ранее не использованных в отечественном машиностроении. Доказано, что использование пары литой АКМ(Т1) - ТИИР403 дает результат, близкий к фрикционной теплостойкости пар СЧ25(СЧ20) -ТИИР403 во всех диапазонах используемых уровней нагружения (P,v). Одновременно по интенсивности изнашивания диска и накладки тормоза, по способности узла трения максимально отводить тепло пара АКМ - ТИИР403 значительно превосходит пару СЧ25 - ТИИР403.

4. Разработана новая методика определения критических температур эксплуатации изучаемых пар трения. Показано, что для каждой конкретной пары материалов можно выделить условия нагружения, устанавливающие пороговые состояния системы, претерпевающей динамическую перестройку «третьего тела». Установлено, что с помощь диаграмм f(t) - T(t) у АКМ выявляются критические состояния. В частности, может быть определена критическая точка, которая является точкой бифуркации (точкой раздвоения) для пороговой температуры поверхностного слоя изучаемой пары трения. Для пары АКМ(Т1)-ТИИР403 эта точка определяется координатами: f"=0,27; Т*=318°С (N*=76,5 Нм/с). Устойчивая работа данного АКМ в тормозах и муфтах сцепления должна осуществляться при меньшей, чем N*, пороговой мощности трения.

5. Показано, что связь между критическими точками может быть установлена методом отображений с использованием итерационного соотношения вида Xn+i = h(Xn). Если в качестве критерия состояния продуктов износа в момент перехода, порождающего преобразования в перемешиваемом материале, использовать значения пороговой мощности трения N* = PvP, а в качестве критерия устойчивости переходов использовать первое значение ряда обобщенных золотых пропорций р = 0,618, то уравнение связи приводится к виду

N*n/N*n+i = 0,6181/2 Число т=2 является для данной пары универсальным показателем структурной приспособляемости, найденным из эксперимента.

6. Показано, что диссипация энергии в тормозах и в технологических процессах СТП и ЛМП имеет общую физическую природу и различается только рабочими температурами, интенсивностями изнашивания материалов пар и целевым использованием продуктов износа («третьего тела»). Изучены пути переноса вещества у фронтальной поверхности инструмента при ЛМП. Показано, что эффективное управление процессом заключается в создании условий, способствующих движению продуктов износа под индентор.

7. Произведена количественная оценка изменений состава и структурных изменений в перемешанном слое металла. Установлено принципиальное изменение механических характеристик сплава АЛ4 в результате ЛМП. Средние характеристики прочности и пластичности составили: до обработки ств=238 МПа, 8=1,0%; после обработки ств=180 МПа, 8=16,0%.

7. Заключение

7. 1. В случае продолжения работ по использованию алюминиевого сплава в качестве материала для тормозных дисков необходима разработка специального фрикционного материала для тормозных колодок, дающего в паре с диском удовлетворительный коэффициент трения, необходимо повысить износостойкость и прочность диска, уменьшить зависимость твердости диска от температуры (с учетом возможности нагрева дисков до 600 °С).

Начальник ОДШ В. Комин Начальник БДТС А. Любимов Инженер С Дорохов

По нашему мнению ошибочным является утверждение авторов справки о том, что на автомобиле ВАЗ 2112 диск из АКМ может быть нагрет до 600°С (температура плавления АКМ - 575°С). Как следует из результатов обзора, диск из АКМ, имеющего теплопроводность, превышающую теплопроводность чугуна примерно в 4 раза, и вентилируемую конструкцию, даже в критических условиях не будет иметь на поверхности трения температуру выше 400°С, а объемная температура диска при этом едва ли превысит 250°С. Необоснованным и противоречащим мировому опыту является утверждение о низкой износостойкости и неравномерном износе АКМ в сравнении с чугуном. Измеренная высокая неравномерность износа в виде глубоких кольцевых борозд, (рис.2.56) на поверхности трения (задиров) на самом деле представляет собой искажение поверхности, вызванное локальной пластической деформацией, возникшей вследствие длительных попыток испытателей разогреть диск трением о колодку до температуры, превышающей 300°С. Записанная нами профилограмма поверхности трения нетермообработанного литого диска (рис.2.57) подтверждает этот факт: наряду с глубокими бороздами мы видим наличие столь же высоких интрузий.

Рис.2.56. Фрагмент диска после стендовых испытаний в паре с накладкой тормоза ТИИР-206.

ПРИЛИПАНИЕ МАТЕРИАЛА КОНГРШ1А

КОЛЬЦЕВЫЕ ЬОРШЛЫ

Таким образом, состояние дисков, изготовленных из отечественного АКМ после стендовых испытаний не отличается от опубликованных результатов зарубежных исследователей. Более того, можно сделать вывод о принципиальной пригодности отечественного АКМ (AJI30+22%SiC Т1) • для работы в существующих условиях силового, теплового и скоростного ф нагружения тормозов легковых автомобилей, но для этих целей должна быть осуществлена разработка специального материала накладки тормоза.

Рис.2.57. Профилограмма поверхности трения на длине 25 мм (отсчет со стороны ступицы диска).

2.4. Исследование материала дисков после стендовых испытаний.

В технической справке и заключении не были представлены результаты исследования материала на ВАЗе. Нами проведено сравнение основных физико-механических характеристик материала диска в исходном состоянии и после стендовых испытаний. Схема вырезки образцов показана на рис.2.50. Некоторые результаты исследований представлены ниже в таблицах 13 и 14 для литого состояния (без ТО) диска.

1. Основы трибологии (трение, износ, смазка) под ред. А.В. Чичинадзе. М.:

2. Центр «Наука и техника», 1995,- 778 с.

3. Иванова B.C., Балакин А.С., Бунин И.Ж., Оксагоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994,- 384 с.

4. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968,- 384 с.

5. Ахеп N. and Hutchings J.M. Analysis of abrasive wear and friction behavior of composites. Mater. Sc. and Technology. Sept. 1996, vol. 12, -P. 757-765.

6. J.M.Hutchings. Tribologial properties of metal matrix composites. // JSATA. Proc. 26-th Jnt. Symposium on Automotive Technology and Automation. Aachen, Germany, 1993, -P. 533-538.

7. R. Ostvik, W. Ruch. Friction and wear properties of aluminium matrix composites. ISATA. Proc. 29-th Jntern. Symposium on Automotive Technologyand Automation. Florence, Italy, 1996, -P. 675-685.

8. N. Yoshie, T. Tsujimura, K. Takao, A. Watanabe, E. Nishii. The development of aluminum alloy composite brake disk for Shinkansen. Proc. 4-th Japan Intern. SAMPE Symposium Sep. 25-28, 1995.

9. V.M. Cassidy. Composite metal auto parts only five years away.// Modern Castings. December, 1989, -P. 62-64.

10. J.E. Allison and G.S. Cole. Metal-Matrix Composite in the Automotive Industry: Opportunities and Challenges. JOM, 1993,45 №1 -P. 19-24.

11. D. Doutre, P. Enright, P. Wales. The "interrupted pour" gating system for the• casting of metal matrix composites. JSATA. Proc. 26-th Jnt. Symposium on• Automotive Technology and Automation. Aahen, Gemany. 1993. -P. 539-544.

12. T.F. Klimowicz. The Large-Scale Commercialization of Aluminium Matrix Composites. JOM, November, 1994,-P. 49-53.

13. C.M. Ward-Close and S.B. Dodd. New and Developing Light Metals for Energy-Efficient Automobiles. JSATA. Proc. 29-th Jnt. Symposium on Automotive Technology and Automation. Florence. Italy. 1996, -P. 215-225.

14. H.P. Degister, H. Kaufman and H. Leitner. The production of particle reinforced aluminium components for automotive applications. JSATA. Proc. 26th Jnt. Symposium on Automotive Technology and Automation. Aachen. Germany. 1993. -P. 525-532.

15. Lu Dehong, Gu Mingyuan, Shi Zhongliang. Materials transfer and formation of mechanically mixed layer in dry sliding of metal matrix composites against steel. Tribology Letters, 1996, 6(1), 57.

16. Рыбакова JI.M. Механические закономерности деструкции металла при объемном и поверхностном пластическом деформировании. // Проблемыф машиностроения и надежности машин. №5, 1998, -С. 113-123.

17. S.Kumai, S.W. Han and A.Sato: Fatugue crack growth in composite materials. Materials Science Forum, Vols 396-402, 2002, -P. 1255-1260.

18. Eur. Pat. Spec. 0615480B1. Improvements relating to friction welding/ W.M.Thomas, E.D.Nicholas, J.C.Needham. Опубликован в 1995.

19. Eur. Pat. 95907888.2. Friction stir welding / O.T.Midling, E.J.Morley, A.Sandvik (Norsk Hydro, rights transferred to TWI). Опубликован в 1995.

20. Pat. 9125978.8. GB 2306366 A. Friction stir welding / W.M.Thomas et. al. Опубликован 05.07.97.

21. Штрикман M.M. Новый способ сварки трением и перспективы его применения (обзор). //Сварочное производство. 2001. №11.-С.36-41.

22. Третьяк Н.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (обзор). // Автоматическая сварка. 2002. №7. -С. 12-21.

23. Thomas W.M. Friction stir welding and related friction process characteristics. // Proc. 7-th Intern. Conf. "Joints in Aluminium" //-Cambridge, 16-th April, 1998. -P.529.

24. Thomas W.M., Threadgill P., Nicholas D. et al. Tool technology- the heart of FSW // Connect. 2000/- July/ August.- P.3.

25. Thomas W., Dolby R., Johnson K. Variation on a theme skew-Stir TM technology // Welding and Metal Fabric.- 2001/-69,№7.-P. 20-22.

26. Karlson J., Karlson В., Larsson H. et al. Microstructure and properties of friction stir welded aluminium alloys // Proc. 7 Intern. Conf. "Joints in Aluminium", Cambridge, 16. April, 1998.- P.221-230.

27. Pat. 54603170GB, В 23 К 20/12. Friction welding / C. DAWES, Ed. D.Nicholas, M.G. Murch et al., опублик. 1995.

28. Pat. 5697544 US, В 23 К 20/12. Adjustable pin for friction stir welding tool / D.H.Wykes. Опублик. 1997.

29. Pat. 5718366 US, В 23 К 20/12. Friction stir welding tool for welding variable thickness work pieces/ K.J.Colligan. Опублик. 1998.

30. Maxoney M.W., Rhodes C. G., Flintoff J. G. et al. Properties of friction-stir-welded 7075 T651 aluminium // Metallurg. and Materials Trans. 1994. - 29 A, №6.-P. 1995.

31. Dawers С. J., Thomas W. M. Friction stir joining of aluminium alloys // Bulletin TWI. 1995 - № 6 (November/Desember). - P. 124-127.

32. Midling O.T., Oosterkamp L.D., Bersaas J. Friction stir welding aluminium -process and applications // Proc. 7th Intern. Conf. "Joints in alumimium", Cambridge, 16 April, 1998.-P. 161-169.

33. Штрикман М.М.и др. Фрикционная сварка листовых конструкций из алюминиевых сплавов 1201 и АМг-6.//Сварочное производство. № 4, 2004, -С. 41-47.

34. P. Heurtier, C.Desrayand and F. Montheillet. A Thermomechanical Analysis of the Friction Stir Welding Process. Materials Science Forum, 2002. -P. 15371542.

35. Колотил об В.И. Техническая подготовка процессов изготовления высококачественных отливок из композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов в условиях централизованного производства. Диссертационная работа, МГАПИ, Москва, 1999г.

36. Семенов Б.И., Семенов А.Б. Особенности структуры и свойства поверхностных слоев литых металлокомпозитов при трении с высокими нагрузками. Труды МНТК М.: г. Сергиев Посад, 1997, -С. 151-153.

37. Иванова B.C., Семенов Б.И., Браун Э.Д. Синергетический анализ критических точек на стадии приспособляемости. //Вестник Машиностроения, №10, 1998, -С. 3-11.

38. Семенов Б.И., Семенов А.Б. Агибалов С.Н. и др. Моделирование триботехнического процесса сухого трения пары «алюмоматричный композиционный материал накладка тормоза. //Материаловедение. №1, 1999,-С. 34-38.

39. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия. 1973, 286 с.

40. Триботехнические испытания на установке 2168 УМТ. Методические рекомендации. М.: 1990, 53 с.

41. Алексеев Н.М., Богданов В.М., Буше Н.А. и др. Новое в структуре трения твердых тел. // Трение и износ, 1988, Т9, №6.

42. Алексеев Н.М. Новое о структурных особенностях изнашивания твердых тел. // Трение и износ, 1989, Т10, №2.

43. Алексеев Н.М., Горячева И.Г., Добычин М.Н., Мелашенко А.И., Транковская Г.Р. О движении вещества в пограничном слое при трении твердых тел.// ДАН СССР, 1989, т.304, №1, -С. 97-100.

44. Семенов Б.И., Семенов А.Б., Игнатова Е.В. Зарождение и эволюция самоорганизующихся структур в паре сухого трения «алюмоматричный композит накладка тормоза».// Материаловедение, 2000, №3, -С. 27-34.

45. Игнатова Е.В. Моделирование нелинейных процессов в паре сухого трения АКМ-контртело. Диссертационная работа, МГАПИ, Москва,2003.

46. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах.- М.: Машиностроение. 1982. 191 с.

47. Кроновер P.M. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории. Москва.: Постмаркет, 2000.- 352 с.

48. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. Миниатюры из бесконечного рая,- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001,528 с.

49. Семенов А.Б., Семенов Б.И., Игнатова Е.В., Романова B.C., Салибеков С.Е. Диссипативные процессы и структурные изменения в трибосистеме алюмоматричный композит контртело.// Технология металлов. В печати.

50. Эриксон Л.Г., Ларсен Р. «ЭСАБ АБ», Лаксо. Ротационная сварка трением научные исследования и новые области применения. // Технология машиностроения. 2003, №6, -С. 81-84.

51. Киршенбаум В .Я. Механотермическое формирование поверхностей трения. -М.: Машиностроение, 1987. 230с.

52. Семенов Б.И., Семенов А.Б., Солодилов С.А. Неустойчивые динамические состояния системы основа новых технологий обработки металлическихматериалов и композитов. Труды МНТК "Прикладная синергетика 2", том 2, г.Уфа, 2004, -С. 58-64

53. Р. Kapranos, К. Ridgway, W. Jirattichoroean, Т. Haga and W. Thomas. F.riction stir welding (FSW) of thixoformed and rheocast plates. Proc. 8-th Jnt. Conf. on Semi-solid processing of metals and composites. 2004.

54. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. Изд. 4-е. -М.: Едиториал Урсс, 2003, 312с.

55. Pat. US 6634199 BZ, Surfase treading method and treading member therefore ./S.Nomura, T. Gendar. 0публ.2003.

56. Pat. GB 2270864A, Friction joining. J. Abson, P.L. Threadgill, W.M. Thomas. Опубл. 1994.

57. N.J/ Gianaris, G.A. Garfmcle, D.C. Myers, S.A. Hashmi. Design and processing of a novel brake rotors /Proc. 8-th Jnt. Conf. on Semi-solid processing of metals and composites. 2004.

58. Семенов А.Б., Лапшинов Ю.П., Семенов Б.И. Особенности формирования трибоконтакта пары трения «алюмоматричный композит контртело» в условиях сухого трения./ЛГруды МНТК. Севастополь-Москва. 1997, №1.-С.34-38.

59. Семенов Б.И., Семенов А.Б., Игнатова Е.В. Зарождение и эволюция самоорганизующихся структур в паре сухого трения «алюмоматричный композит накладка тормоза».// Материаловедение.-2000.-№3.-С.27-34.