автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение эффективности применения износостойких электролитических покрытий

На правах рукописи

АСЛАНЯН ИРИНА РУДИКОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 2 МАЙ 2314

Уфа-2014

005548506

005548506

Работа выполнена на кафедре «Основы конструирования механизмов и машин» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный консультант - заслуженный деятель науки РБ, доктор технических наук,

Ведущая организация: Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

Защита состоится « 3 » июля 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.262.02 при ГОБУ ВПО «Тверской государственный технический университет» по адресу: 170026, г. Тверь, наб. Аф. Никитина, 22 ауд. Ц-120.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Тверского государственного технического университета http://www.tstu.tver.ru.

Автореферат разослан « » 2014 г.

профессор кафедры «Основы конструирования механизмов и машин» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Шустер Лева Шмульевич

Официальные оппопенты: Гриб Владимир Васильевич

доктор технических паук, профессор кафедры «Детали машин и теории механизмов» ФГБОУ ВПО МАДГТУ (МАДИ) Пичугин Владимир Федорович

доктор технических наук, профессор кафедры «Трибологии и технологии ремонта НТО» ФГБОУ ВПО . РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина Баранов Виктор Леопольдович

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор кафедры стрелково-пушечпого вооружения Тульского государственного университета

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технич. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одна из самых острых и сложных проблем современного машиностроения — износ механизмов и машин — предполагает ежегодное увеличение расходов на их восстановление. В связи с этим любое продвижение в ее решении дает комплексный результат - это и повышение энергосбережений, и возрастание показателей надежности изделия, и улучшение функциональных характеристик изделия. Одно из перспективных направлений исследований по трибологии состоит в нанесении электролитических покрытий. Износостойкие покрытия, получаемые электролитическим осаждением, отличаются высоким сопротивлением износу, минимальной склонностью к заеданию, высоким сопротивлением коррозии. Среди электролитических покрытий наибольшее распространение в гальванотехнике получили никелевые покрытия. Для получения твердых и износостойких никелевых покрытий электролитическое осаждение никеля осуществляют при введении в электролиты никелирования гипофосфита натрия, в результате чего получаются никель-фосфорные (NiP) покрытия. Для повышения несущей способности покрытий в их состав, как правило, вводят различные упрочняющие добавки (карбиды, бориды и т.д.). Такие покрытая способны выдерживать большие механические нагрузки без изменения своих служебных свойств.

Большой вклад в изучение проблемы трения и изнашивания трибосопряжений внесли отечественные ученые Баранов В.Л., Буше H.A., Буяновский И.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Демкин Н.Б., Дроздов Ю.Н., Захаров С.М., Костецкий Б.И., Крагельский И.В., Колесников В.И., Лужнов Ю.М., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Мышкин Н.К., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущов М.М., Чичинздзе A.B. и др.

Трение узлов, имеющих покрытия, рассматривалось в работах Верещаки A.C., Гриба В.В., Куксеновой Л.И., Пичугипа В.Ф., Рыбаковой Л.М. и др.

Интерес к электролитическим композиционным никель-фосфорным покрытиям вызван многообещающими данными, полученными по трению и изнашиванию в трибопарах с павокристаллическими материалами, а также возможностью получать эти покрытия с мелкозернистой структурой электролитическим осаждением. Исследования известных отечественных и зарубежных ученых показали значительное улучшение сопротивлению изнашивания никель-фосфорных покрытий при введении в их матрицу твердых добавок. Однако, в этих работах отражены главным образом результаты, характерные для трения скольжения покрытий, а основным способом определения количества упрочняющих добавок остается метод подбора. Практически не изученными остаются триботехнические характеристики фреттинг-изпашивания и фреттинг-коррозии никель-фосфорных покрытий, что связано с недостатками существующей методологии исследования обратных пар трения.

Данная работа направлена на восполнение этого пробела и посвящена изучению процессов трения и изнашивания электролитических никель-фосфорных покрытий с различными термообработкой и количеством упрочняющих добавок карбидов кремния в условиях скольжения, фреттинг-изнашивания и фретганг-коррозии (с учетом амплитуды и нагрузки). Полученные результаты позволят уточнить методологию исследования обратных пар трения и изучить механизм изнашивания NiP покрытий в различных условиях трения, повысить эффективность использования электролитических никель-фосфорных покрытий и увеличить износостойкость деталей машин.

Выполнение основных разделов данной работы проходило в рамках гранта на выполнение за счет средств федерального бюджета работ по проекту Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», направление 1.7 (проект № 03-01-10976-3, 2001, 2004), гранта Президента Российской Федерации № МК-940-2004.8 «Молодые кандидаты наук» (2004 -2005); грантов Фонда содействия Отечественной науки для выдающихся молодых ученых Российской академии паук (2004, 2005), гранта РФФИ (проект № 07-08-92001-ННС_а, 2007 -2010), гранта NATO Research Fellowship № 1/5 - CVW.D5.771 на проведение научных исследований в лаборатории трибологии департамента металлургии и металловедения Католического университета г. Левена (Бельгия, 2002 - 2003). Часть работы выполнялась в рамках официального приглашения в Центре трибологии и диагностики университета г. Любляны (Словения, 2005) и в научно-исследовательской лаборатории DAC компании LG Electronics в г. Чаютюне (Южная Корея, 2005 - 2006).

Цель работы. Установление закономерностей влияния упрочняющих добавок карбидов кремния и термообработки на триботехпические характеристики никель-фосфорных покрытий в условиях трения непрерывного скольжения, фреттинг-изнашивания и фретгинг-коррозии и на этой основе улучшение их служебных свойств и качества работы подвижных сопряжений.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить термодинамические аспекты структурно-фазовой адаптации поверхностей трения износостойких электролитических покрытий (ИЭП) и ее влияние на процесс изнашивания.

2. Уточнить методологию исследования обратных пар трения с учетом влияния различных условий трения (скольжения, фреттинг-изнашивания, фреттинг-коррозии) на триботехнические характеристики ИЭП.

3. Исследовать влияние термообработки и концентрации добавок карбидов кремния (Й1С) па коэффициент трения и изнашивание МР покрытий при трении скольжения, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии (с учетом изменяющихся нагрузки и амплитуды колебаний).

4. Выполнить металлографические исследования и химический анализ поверхностей трения №Р покрытий, а также продуктов износа на различных стадиях изнашивания при скольжении, фреттинг-изнашивании и фреттипг-коррозии.

5. Изучить механизм изнашивания ИЭП в различных условиях трения и на этой основе разработать принципы выбора термической обработки и концентрации твердых добавок карбидов кремния в КЧР покрытиях, обеспечивающих повышение их износостойкости.

6. Разработать информационную базу данных по триботехническим характеристикам износостойких покрытий, в том числе электролитических №Р покрытий, для решения конкретных конструкторско-технодогических задач.

7. Разработать практические рекомендации по повышению износостойкости изделий с №Р покрытиями и осуществить опытно-промышленную апробацию этих рекомендаций.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях и опытных данных термодинамики неравновесных процессов и самоорганизации, трибологии, моделирования и многофакторного планирования экспериментов.

При проведении экспериментальных исследований использовались методы статистического анализа результатов экспериментов; стандартизованные и оригинальные методики триботехнических испытаний, измерения микротвердоспи и шероховатости. Для исследования структурных особенностей и фазового состава испытуемых материалов и их поверхностей трепия использовались современные методики: оптическая металлография (ОМ), растровая электронная микроскопия (РЭМ) и рентгеноспектральный анализ.

Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена многочисленными собственными экспериментальными данными и данными других авторов. Результаты исследований, выводы и предлагаемые технические решения прошли производственную проверку и внедрены в учебный процесс.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана термодинамическая модель изнашивания покрытий, полученная из условия устойчивости стационарного состояния трибосистемы с минимальным производством энтропии на подвижном фрикционном контакте;

- выявлены химические составы вторичных структур, их распределение и развитие в приповерхностных слоях фрикционного контакта при скольжении, фретпшг-изпашивании и фреттинг-коррозии электролитических N1? покрытий;

- установлено влияние условий трения на изменение механизма изнашивания покрытий с твердыми добавками и па этой основе разработаны научные принципы выбора термообработки и концентрации добавок, обеспечивающих повышение износостойкости покрытий;

- представлено научное обоснование применяемой методологии исследования обратных пар трения для комплексной оценки триботехиических характеристик покрытий в различных условиях трения скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии;

- установлены зависимости триботехиических характеристик и интенсивности изнашивания электролитических N¡1' покрытий от наличия в них твердых добавок БЮ и их концентрации, а также от термообработки и условий трения (скольжение, фреттинг-изнапшвание, фреттинг-коррозия при различных пагрузках и амплитудах сдвига);

- показано, что термообработка и твердые добавки БЮ, с одной стороны, как упрочняющие факторы уменьшают изнашивание №Р покрытий, а с другой стороны, как факторы, повышающие структурную неоднородность поверхностей трения, интенсифицируют изнашивание электролитических N¡1* покрытий; минимум изнашивания достигается при определенных сочетаниях нагрузки и амплитуды сдвига;

- определяющую роль при фреттинг-коррозии №Р покрытий играет механическая составляющая изнашивания, а степень влияния химической составляющей зависит от сочетали нагрузки и амплитуды сдвига.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Разработанная и апробированная методология исследования и определения триботехиических параметров обратных пар трения (в том числе с применением электролитических №Р покрытий), позволяющая сопоставлять, анализировать и обобщать результаты, полученные в различных условиях трения скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии.

2. Способ определения концентрации упрочняющих добавок в износостойкие N1? покрытия, обеспечивающий их минимальное изнашивание (патент № 2476629 от 27. 02.2013 г.).

3. Информационная база данных по триботехническим характеристикам электролитических №Р покрытий, позволяющая оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать расчеты при конструировании трибосопряжений.

4. Установленные зависимости коэффициента трения и интенсивности изнашивания электролитических NiP покрытий от различных условий трения позволяют прогнозировать их износостойкость уже па стадии конструирования трибосопряжений (с учетом технологии изготовления деталей этих трибосопряжений и режима их эксплуатации).

5. Рекомендации по применению упрочняющих добавок и термообработки электролитических NiP покрытий, обеспечивающих высокую износостойкость деталей при эксплуатации в различных условиях трения.

Реализация результатов работы. Выполненные разработки внедрены:

- на предприятии ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» г. Уфа (рекомендации применения износостойких покрытий для восстановления и упрочнения деталей - корпусов, подвесок, обойм, втулок, хвостовиков лопаток авиадвигателя АЛ-31Ф), ОАО «УAll «Гидравлика» г. Уфа (информационная база данных для автоматизации расчетов щи конструировании трибосопряжений).

- в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета в виде учебно-методических указаний при подготовке инженеров.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 10 международных, 3 всесоюзных, 10 всероссийских научно-технических симпозиумах и конференциях за период с 1995 по 2012 гг. в городах Москве, Самаре, Уфе, Лондоне (Великобритания), Левене (Бельгия), Париже (Франция), Эсслиигене (Германия), Варне (Болгария), Юрмале (Латвия), Варшаве (Польша), Любляне (Словения). Работа обсуждалась на заседании научного семинара «Трепие и износ в машинах» им. М.М. Хрущова отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Института машиноведения РАН (2013 г.), на заседании научно-технического совета отделения «Транспортное материаловедение» ОАО «ВНИИЖТ» (2013 г.), на заседании семипара но механике фрикционного взаимодействия твердых тел им. И.В. Крагельского в Институте проблем механики РАН (2014 г.).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 80 научных работах, в том числе в 3-х монографиях, 25 - в научных журналах и сборниках из перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения в виде основных выводов и результатов работы, списка литературы и приложений (акш внедрения), занимает 291 страницу, включает 96 рисунков, 36 таблиц и 236 наименований использованной литературы.

Основные научные положения и результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту:

- обоснование термодинамической модели изнашивания покрытий на основе

рассмотрения устойчивости стационарного состояния трибосистемы с минимальным производством энтропии на подвижном фрикционном контакте;

- закономерности изменения химического состава вторичных структур, их распределения и развития в приповерхностных слоях №Р покрытий при трении скольжения, фретгинг-изнашивании и фреттинг-коррозии, обеспечивающих их защитные функции в трибосопряжениях;

- обоснование изменения механизма изнашивания покрытий в зависимости от изменяющихся условий трения, позволившее разработать принципы выбора термообработки и концентрации упрочняющих добавок, обеспечивающих повышение износостойкости электролитических №Р покрытий;

- разработанная методология исследования и определения триботехнических характеристик электролитических покрытий, позволяющая анализировать, сравнивать и обобщать результаты, полученные в различных условиях трения скольжения, фретгинг-изпашившшя и фреттинг-коррозии;

- закономерности влияния термической обработки и количества твердых упрочняющих добавок в электролитических покрытиях на коэффициент трения и интенсивность их изнашивания, позволившие научно обосновать минимальные фретшнг-изнашивание и фреттинг-коррозию при определенных сочетаниях нагрузки и амплитуды сдвига;

- положение, согласно которому определяющую роль при фреттинг-коррозии №Р покрытий играет механическая составляющая изнашивания, позволившее выработать общие принципы повышения износостойкости Н1Р покрытий при фретгинг-изнашивании и фреттинг-коррозии.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, указана практическая значимость и приведены основные результаты работы, выносимые на защиту.

В первой главе приведено обоснование постановки задач исследования.

В обзоре литературы приведен анализ публикаций, посвященных износостойким покрытиям. Значительное количество покрытий триботехнического назначения определило широкое разнообразие их видов и технологических способов формирования, что, в свою очередь, привело к существованию различных классификаций покрытий. Приведены различные классификации покрытий: в зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей и по технологии формирования покрытий.

Представлена подробная классификация электролитических покрытий по их типу и области применения. Приведенный обзор свидетельствует о том, что в современном машиностроении при изготовлении деталей широкое применение нашли электролитические покрытия, которые удовлетворяют требованиям прочности, жесткости, податливости и т.п. (что обеспечивается физико-механическими свойствами материала сердцевины), и, в то же время, противостоять воздействиям сопрягаемых деталей и окружающей среды (трению, изнашиванию, коррозии и т.п.), что обеспечивается свойствами поверхностного слоя. Износостойкие электролитические покрытия (ИЭП) на основе никеля по своим уникальным свойствам представляют значительный интерес в машипо- и приборостроении, ремонтном производстве. Однако широкое распространение ИЭП па основе никеля в промышленности сдерживается недостаточной изученностью их эксплуатационных свойств, в том числе трибологических характеристик.

Установлено, что термическая обработка ИЭП и введение в их состав порошков карбидов, боридов, оксидов, алмаза, корунда и т.л., позволяет изменить износостойкость покрытий. Несмотря на большое число публикаций по положительной роли упрочняющих добавок на износостойкость покрытий, до настоящего времени основным способом определения количества твердых включений в покрытиях остается метод подбора. Из литературного обзора видно, что в настоящее время отсутствует теоретическая база структурно-фазовой адаптации поверхностей трения ИЭП с твердыми добавками различной концентрации и ее влияние на коэффициент трения и изнашивания покрытий, а существующая методология исследования обратных пар трения имеет недостатки, что сдерживает повышение эффективности применения таких покрытий.

Изнашивание покрытий -может изменяться в широких пределах, протекать по различным механизмам, но во всех случаях оно является следствием трепия. Для каждой трибосистемы характерно образование на поверхностях грения вторичных структур (ВС), которые представляют собой некоторое «третье тело», осуществляющее защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел.

Образование ВС и изнашивание связаны с превращениями энергии при трении, которые могут рассматриваться с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации. Исследованию неравновесных процессов и самоорганизации в трибосистемах посвящены работы Н.М. Алексеева, Л.И. Бершадского, H.A. Буше, И.А. Буяновского, И.С. Гершмана, B.C. Ивановой, Б.И. Костецкого, М.Э. Натансона, C.B. Федорова, В.В. Шульца и др. Однако в этих работах недостаточно уделено внимания практическому использованию этого явления применительно к трибосопряжениям с электролитическими покрытиями.

Сложность и многообразие видов изнашивания, а также большое число факторов, влияющих на процесс изнашивания, затрудняют сравнение различных видов изнашивания покрытий. Если сравнение величин износа разных материалов при одном и том же виде изнашивания и при использовании одного и того же метода измерения показывает сопоставимые результаты, то сравнение величин износа одпого и того же материала при разных видах изнашивания затруднительно и требует специального подхода. В литературе практически отсутствуют сравнительные данные по износостойкости (как свойства) одних и тех же материалов в разных условиях трения, например, при непрерывном скольжении и фреггинге. Назрела необходимость в разработке методологии исследования трения и изнашивания обратных пар трения, позволяющей сопоставлять влияние различных видов трения (непрерывного скольжения, фретгинг-изнативания и фрегшш -коррозии) на триботехнические характеристики ИЭП.

Повышение эффективности применения ИЭП в машиностроении сдерживается отсутствием данных о совместном влиянии термообработки и концентрации твердых добавок на коэффициент трепия и изнашивание этих покрытий при трении скольжения, фретшнг-изнапшвании и фреттинг-коррозии (с учетом изменяющихся нагрузки и амплитуды сдвига).

Остается актуальным создание информационной базы данных по триботехническим характеристикам ИЭП, а также системы передачи этих данных для использования в производственных и учебных целях. Существует необходимость в разработке практических рекомендаций по повышению износостойкости изделий с ИЭП, учитывающих условия их эксплуатации, а также осуществить опытно-промышленную апробацию этих рекомендаций.

Обзор и анализ литературы позволил выделить следующие направления обеспечения повышения эффективного применения ИЭП: на основании положений неравновесной термодинамики определение условий прогнозируемого образования на поверхностях трения вторичных структур, повышающих износостойкость ИЭП; разработка научно-обоснованной методологии исследования обратных пар трения и на ее основе установление закономерностей влияния различных условий трения ИЭП на их триботехнические характеристики. Изложенное выше обусловило необходимость настоящей работы, определило ее цель и основные задачи.

Во второй главе изложены теоретическая и экспериментальная базы исследования.

Известно, что основные явления при трении концентрируются в тонком приповерхностном слое. Представляют научный и практический интерес термодинамические аспекты состояния этого слоя и связь изнашивания с этим состоянием. В работах Костецкого Б.И. и Бершадского Л.И. показано, что любую трибосистему следует рассматривать как

открытую неравповесную термодинамическую систему. В работах Буше Н.А., Ивановой B.C. и Гершмана И.С. сформулирован принцип вторичной диссипативной гетерогенности, согласно которому в процессе трения происходят явления структурной приспосабливаемости (адаптации) контактирующих материалов, при которых все виды взаимодействия тел локализуются в тонкоплеиочном объекте — вторичных структурах (ВС). В соответствии с этим принципом вторичные структуры необходимы для рассеяния энергии при ее переходе из зоны трения в трущиеся тела, причем рассеяние энергии должно происходить с наименьшей скоростью прироста энтропии. Вторичные структуры выполняют защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел и снижая интенсивность этого взаимодействия.

Известно, что изменение энтропии любой термодинамической системы равно

dS^dtS + d/S, (1)

где dJS — изменение энтропии, обусловленное обменом веществом и энершей с внешней средой; djS — изменение энтропии, обусловленное «некомпенсированным преобразованием», т.е. эта энтропия произведена необратимыми процессами внутри системы.

В стационарном состоянии изменение энтропии во времени t равно нулю, т.е.

+ = 0 (2) dt dt dt

и при этом

dS d S

—— S 0, тогда й 0. (3)

dt dt

В данном исследовании при разработке путей повышепия эффективности применения износостойких электролитических покрытий рассмотрена трибосистема «индептор -покрытие», во вторичных структурах которой проходят следующие основные термодинамические потоки: поток тепла, поток вещества, поток физико-химических превращений. Поток дополнительных воздействий (например, подогрев или охлаждение зоны контакта и т.п.) в данной работе не рассматривался. Представлена эта система в виде трущегося тела и источников энергии в зоне трения. Принято, что источники энергии не имеют массы и поэтому не обладают энтропией. Рассмотрено изменение энтропии одного из контактирующих тел - образца с покрытием - при трении по штдентору.

Полагаем, что за время взаимодействия не успевает пройти обмен теплом системы, состоящей из трущегося тела и источника тепла (зоны трения), со средой. Поток энтропии

в уравнении (3) связан только с износом. Принимаем, что в стационарпом состоянии

dt

величина интенсивности изнашивания покрытия связана с потоком вещества те (основы материала покрытия), который обусловливается градиентом концентрации вещества. И только при износе (удалении насыщенных слоев) возможно продолжение потока вещества, так как снова появляется градиент его концентрации. Тогда производство энтропии ВС в рассматриваемой системе (без учета взаимосвязи потоков между собой) равно:

где / - коэффициент трения; рг — удельная нормальная нагрузка; V - скорость скольжения; X - коэффициент теплопроводности; Т - температура; X - некоторая часть механической энергии трения, которая рассеивается потоком тепла; У - некоторая часть механической энергии трения, которая расходуется на формирование потока вещества; Z -некоторая часть механической энергии трения, которая расходуется на физико-химические превращения в ВС; Л - коэффициент диффузии); А - химическое сродство.

Знак перед вторым членом принят отрицательным из условия (3). Это связано с тем, что из условия аддитивности он пропорционален интенсивности изнашивания материала трущегося тела, а частицы износа удаляются из трибосистемы со своим содержанием энтропии. Знак перед третьим членом может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от типа физико-химических превращений.

Согласно универсальному критерию Пригожина И. при эволюции термодинамической системы часть изменения производства энтропии, связанная с изменением термодинамических сил, будет отрицательной. Однозначно невозможно утверждать, какой знак будет' у части изменения производства энтропии, связанной с изменением термодинамических потоков. Однако в своих работах Пригожил И. приводит следующую теорему. Если производство энтропии системы уменьшается при изменении термодинамических потоков и сил, то производство энтропии достигает минимума в стационарном состоянии и далее не меняется. На основании этой теоремы в работах И.С. Гершмаиа и H.A. Буше предполагается, что в стационарном состоянии производство энтропии в трибосистеме может не меняться в пекоторых пределах изменения параметров трения. Подобную устойчивость трибосистема может приобрести только после потери термодинамической устойчивости и образования диссшзативпых структур.

Таким образом, условие устойчивости производства энтропии в стационарном состоянии трибологической системы примет вид:

ds (f-pr-v-xy

dt Л-Т2

,2

Т '

(4)

tPr-v-xl _y.?± + z.A = 0.

Рср(/-рг-У-Х

П К-т

±г-л -ь,

(б)

/

где Ь — коэффициент пропорциональности.

В выражениях (5) и (6) введены средние значения теплопроводности Яср, коэффициента диффузии Оср и коэффициента трения f во вторичных структурах.

Из выражения (6) видно, что:

- при определенных сочетаниях в ВС уровней триботехнических характеристик и коэффициента теплопроводности уменьшение производства энтропии в зоне трения может привести к уменьшению изнашивания ИЭП;

- неравновеспые процессы, связанные с не самопроизвольными физико-химическими превращениями в ВС и проходящие со снижением производства энтропии на поверхностях трения, могут снизить изнашивание ИЭП (например, окисление никеля в покрытиях);

- тип трения (непрерывное скольжение или фреттинг) может изменить соотношение между термодинамическими параметрами X, У и Ъ и, в связи с этим, изнашивание покрытий: чем больше доли механической энергии трения рассеиваются потоками вещества (У) и не самопроизвольных физико-химических превращений в ВС (2), тем меньше изнашивание ИЭП; этому способствует также уменьшение доли X, рассеиваемой потоком тепла.

С учетом вышеизложенного для достижения поставленной цели в диссертации выполнены экспериментальные исследования.

В качестве материалов исследования были выбраны никель-фосфорные (№Р) покрытия. >№ покрытия осаждали на стальную подложку в электролитической ванне. Осаждение покрытий проводили на вертикальных электродах с магнитным перемешиванием электролита. Использовали стандартный электролит Уотгса, содержащий также 20 г/л фосфористой кислоты Н3РО3 и суспензию карбидов кремния БЮ в количестве 0, 80 и 200 г/л со средним диаметром частиц 600 нм. Часть покрытий отжигали при температуре 420 °С в течении 1 часа.

Известно, что никель-фосфорные покрытия работают в различных условиях трения и изнашивания, поэтому в данной работе проводили трибологические испытания покрытий при трении непрерывного скольжения, фретганг-изнашивашш и фреттинг-коррозии. Испытания выполпяпи по схеме шар - диск на трибометрах фирмы Ра1ех. Для исключения влияния физико-химического взаимодействия между покрытием и контртелом в качестве последнего использовали корундовые шары (фирма СепйесЪ, Нидерланды) диаметром 10 мм, с шероховатостью поверхности На 0,2 мкм. Трибологические испытания на трение

скольжения проводились при нормальном нагружении 2 Н и постоянной скорости скольжения 0,15 м/с. Диаметр поверхности трения на диске составлял 24 мм. Количество циклов испытаний для всех образцов было одинаковое и составляло 100, 1000 и 15000. Трибологические испытания на фреттинг-изнашивание и фретганг-коррозию проводились при нормальном нагружепии 1, 5 и 10 Н, частоте колебаний 2 Гц и тангенциальном смещении (амплитуде) 100 и 500 мкм. Количество циклов испытаний для всех образцов было 20 000. Трибологические испытания па фретшнг-коррозию проводились в растворе №С1 (рН = 5,5) при температуре 22 °С. Триболопические испытания на трение скольжения и фретгипг-изнашивание проводились без смазки при температуре воздуха 23 °С и относительной влажности 50 %. Тангенциальная сила трения записывалась постоянно во время всего цикла испытаний. Результаты триболопгческих испытаний представляли как усреднепное значение, полученное по трем измерениям для каждого типа покрытия.

Приведено обоснование, что для обратной пары трения сравнение изнашивания покрытий в различных условиях трения (при непрерывном скольжении, фретгинг-изнашивании и фреттанг-коррозии) следует проводить по величине к, пропорциональной линейной интенсивности:

где N - число циклов воздействий, приводящих к линейному износу hr, т.е. по существу величина к представляет собой износ, приходящийся на одно воздействие.

Адгезионные исследования проводили на специально разработанной аппаратуре, позволяющей производить нагрев зоны контакта и обеспечивать характерное распределение температуры по глубине контактирующих тел. Для оценки зависимости прочности х„ на срез от давления на контакте рг в работе использовали экспериментальный метод, в основе которого - физическая модель, в первом приближении отражающая реальные условия трения и изнашивания на локальном контакте. Согласно этой модели сферический индептор (имитирующий единичную неровность пятна касания), сдавленный двумя плоскопараллельными образцами (с высокой точностью и чистотой контактирующих поверхностей), вращается под нагрузкой вокруг собственной оси — ГОСТ 16429-70.

Морфология поверхности покрытий и поверхностей трения была проанализирована с помощью сканирующего электронного микроскопа SEM-Philips 515. Химический анализ был выполнен с помощью установки .EDАХ при увеличении ускоряющего напряжения от 10 до 20 кВ. Высоту hr изношенного слоя вычисляли по данным изношенного объема и его формы, полученным с помощью оптической трехмерной профилирующей системы Wyko NT Series. Анализировались средние результаты трех экспериментов.

Виды трения и изнашивания — ------- т

Непрерывное скольжение Фреттинг-иэнашивание Фреттинг-коррозия

Факторы воздействия на процессы трения и изнашивания

Термообработка Концентрация твердых добавок | Давление Амплитуда колебаний

Планирование экспериментов

Математические (статистические) модели триботехнических характеристик

Рис. 1. Структурно-логическая схема методологии исследования трения и изнашивания ИЭП.

Для проведения всесторонних исследований процессов трения и изнашивания покрытий были использованы известные методики и методы проведения испытаний. На рис. 1 представлена структурно-логическая схема проведения экспериментальных исследований трения и изнашивания НЭП, которая является по существу методологией исследования, так как представляет собой совокупность методик, методов, а также структуры и средства деятельности (труда). Предложенная методология исследований позволяет получить новые результаты по совместному влиянию различных факторов на изнашивание ИЭП и коэффициент трения; сравнить триботехнические характеристики ИЭП, полученные при различных видах трения и изнашивания (непрерывном скольжении, фреттияг-изнативании и фреттинг-коррозии); изучить механизмы изнашивания ИЭП в различных условиях эксплуатации и предложить принципы оптимизации ИЭП по их составу. Предложенная методология исследования прошла промышленную апробацию и используется в учебном процессе.

Третья глава посвящена исследованию влияния условий трения непрерывного скольжения на триботехнические характеристики покрытий.

Проведены микро- и рентгеноструктурные исследования покрытий. Установлено, что в нетермообработанном состоянии покрытия имеют аморфную структуру (рис. 2а). В результате термической обработки (отжига при температуре 420 °С в течение 1 часа) происходит выделение кристаллической фазы №3Р, что увеличивает твердость покрытий (рис. 26). Выделение фазы №3Р происходит в зонах, содержащих фосфор в количестве, превышающем эвтектическую концентрацию 11 вес. %. Введение карбидов кремния не оказывает заметного влияния на изменения, происходящие в матрице №Р.

Рис. 2. Рентгенограмма нетермообработанного (а) и термообработаяного (б) МР-ЭЮ (80 г/л) покрытия

Результаты металлографических исследований поверхности трения композиционных №Р-ЗЮ покрытий представлены на рис. 3. На поверхности трения наблюдаются царапины

темного цвета (рис. За). Эти царапины параллельны направлению движения. Такой вид поверхности характерен для абразивно-окислительного изнашивания. Детальное исследование поверхности трения в увеличенном масштабе (рис. 36) показало наличие мест вырыва карбидов кремния с развитой системой микротрещин вокруг этих мест. Вид поверхности трения не зависит от количества внедренных карбидов кремния для композиционных МР-ЭЮ покрытий и примерно одинаков для термообработанных и нетермообработанных покрытий.

Рис. 3. Микроструктура поверхности трения термообработанных композиционных №Р-БЮ покрытий после 15 ООО циклов испытаний (а); увеличенная зона (б).

Образование темных полос было замечено на поверхности трения для всех типов термообработанных и нетермообработанных покрытий, но в большей мере это проявилось в случае нетермообработанных №Р покрытий (рис. 4). Эти темные полосы параллельны направлению движения и их количество на №Р покрытиях увеличивается с увеличением длительности испытаний, при этом характер изнашивания изменяется с абразивного на абразивно-окислительный, что подтверждается данными химического анализа (табл. 1). На поверхности трения появляются оксидные пленки (количество кислорода увеличивается от О до 17 вес. % у нетермообработанных покрытий я от 0 до 2! вес. % у термообработанных). Сформированные в этих условиях трения оксидные пленки прочно связаны с поверхностью №Р покрытий и активно участвуют в процессе изнашивания материала.

В продуктах изнашивания при непрерывном скольжении количество кислорода относительно выше, чем непосредственно на поверхностях трения (табл. 1). Несмотря на то, что на поверхности трения отожженных композиционных МР-БЮ покрытий кислород не был обнаружен, в продуктах изнашивания при трении этих покрытий кислород был обнаружен в достаточно больших количествах. Это свидетельствует о том, что в зоне фрикционного контакта происходят окислительные процессы и изнашивание имеет абразивно-окислительный характер. Кроме того, химический анализ продуктов изнашивания

композиционных №Р-8Ю покрытий показал, что продукты изнашивания покрытий, содержащих 200 г/л БЮ, по сравнению с покрытиями, содержащими 80 г/л 81С, содержат вдвое больше кремния, что подтверждает предположение о блочном изнашивании материала с повышенным содержанием карбидов кремния.

Рис. 4. Эволюция образования оксидных пленок на поверхности трения нетермообработанных №Р покрытий: (а) 100 циклов, (б) 1000 циклов, (в) 15 000 циклов.

Таблица 1

Химический состав поверхностей трения №Р и композиционных №Р-8Ю покрытий при непрерывном скольжении

Количество Химический состав

Покрытие циклов Элемент, вес. %

воздействий N1 Р в! С О А1

№Р Нетермообработанное 100 1000 86,89 83,12 13,11 12,81 _ - 4,07 -

15000 72,04 9,61 - - 17,05 1,30

Термообработанное 100 1000 87,21 82,17 12,79 11,76 - - 6,07 -

15000 68,17 9,57 - - 21,14 1,13

Продукты износа 15000 62,78 8,03 - - 26,85 2,33

№Р-Э1С (80 г/л Э1С) Нетермообработанное Термообработанное Продукты износа 15000 15000 15000 64,63 74,59 46,28 10,79 9,92 5,76 4,78 5,18 6,01 2,51 7,67 12,43 16,59 2,64 28,20 1,33 0,70 1,33

МР-БЮ (200 г/л ЭЮ) Нетермообработанное Термообработанное Продукты износа 15000 15000 15000 62,56 77,81 31,75 10,51 10,61 4,42 5,91 5,58 12,00 3,08 6,00 15,83 17,94 34,08 1,09 1,93

Характерные графики изменения величин коэффициента трения №Р и композиционных МР-ЭЮ покрытий (термообработанных и нетермообработанных) в процессе изнашивания представлены на рис. 5. Внешний вид зависимости коэффициента трения от количества циклов воздействий №Р покрытий имеет волнообразный характер. В случае композиционных МР-БЮ покрытий эта зависимость имеет даже скачкообразный характер. Это связано с тем, что карбиды кремния в процессе трения и изнашивания

периодически выступают на поверхность, увеличивая ее шероховатость, изнашиваются, выкрашиваются с поверхности покрытий и уносятся из зоны контакта, что отражается на характере зависимости/=/(?Ч). Установлено, что превалирующим для коэффициента трения / оказалось поведение молекулярной (адгезионной) составляющей коэффициента трения, и высокие значения коэффициента трения №Р покрытий связаны главным образом с большой величиной молекулярной/м составляющей коэффициента трения.

Рис. 5. Графики изменения коэффициента трения нетермообработанных (а)

и термообработанных (б) покрытий по мере их изнашивания при нагрузке 2 Н.

Известно, что молекулярная составляющая./* коэффициента трения равна:

Л = —+ /3, (8)

Р,

где то - прочность молекулярных (адгезионных) связей на срез в отсутствии нормальных р, напряжений (давлений); Р - пьезокоэффициент. Как показали исследования для никелевого покрытия то — 50 МПа.

Введение упрочняющих добавок БЮ в №Р покрытия, с одной стороны, уменьшают молекулярную составляющую коэффициента трения (из-за отсутствия взаимодействия между карбидом кремния и корундом), а с другой стороны, увеличивают деформационную составляющую /д коэффициента трения (из-за повышения шероховатости поверхности трения). Очевидно, эти два фактора влияют паритетно, оставляя практически неизменной величину коэффициента трения.

При трении нетермообработанных ИЭП твердые включения под действием нормальной нагрузки Р„ внедряются в мягкую матрицу покрытия и мало влияют на деформационную составляющую Fa силы трения. При трении термообработанных ИЭП внедрение поверхностных твердых добавок в твердую матрицу покрытия затруднено, что увеличивает поверхностную шероховатость, деформационную составляющую ^ силы трения и коэффициент трения. Определенный вклад при этом вносит и увеличенное значение молекулярной составляющей /„ коэффициента трения (у термообработанного покрытия

коэффициент упрочнения адгезионных связей /? = 0,075 против ¡5 = 0,065 - у нетермообработанного).

Результаты трибологических испытаний износостойких электролитических покрытий при непрерывном скольжении представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты трибологических испытаний композиционных №Р покрытий при непрерывном скольжении (нагрузка 2 Н)

Состав покрытий Нетермооб] эаботавное Термообработанное

Микротвердость, ,иНУ Коэффициент трения / Приведенная интенсивность линейного износа к ■ 10~5, мкм Микротвердость, ^¿HV Коэффициент трения / Приведенная интенсивность линейного износа к • 10"5, мкм

NiP 580 0,71 1,44 1090 0,74 1,27

NiP-SiC, 80 г/л 700 0,68 1,43 1150 0,78 1,40

NiP-SiC, 200 г/л 730 0,69 1,55 1450 0,77 1,34

Из табл.2 видно, что увеличение содержания ЭЮ в петермообработанных композиционных покрытиях приводит к незначительному увеличению микротвердости. При этом композиционные покрытия №Р-81С с содержанием карбидов кремния 80 г/л демонстрируют меньший износ при скольжении. После проведения термической обработки и выделения кристаллической фазы №3Р меньший износ при скольжении показали №Р покрытия без добавок. На поверхностях трения отожженных покрытий формируются оксидные пленки, экранирующие износ. Термическая обработка уменьшает величину износа на всех исследованных покрытиях. Некоторое увеличение интенсивности изнашивания композиционных ШР-ЭЮ покрытий по сравнению с 1\№ покрытиями связано, по видимому, с повышением чувствительности к образованию трещин вокруг карбидов в матрице №Р в процессе изнашивания. В процессе трения карбиды кремния легко вырываются с поверхности, что создает дополнительные потери объема материала испытываемых образцов.

В обратной паре трения при скольжении контртела по поверхности покрытия ввиду кратковременности контакта и химической инертности контртела происходит механическое и молекулярное взаимодействия, характеризующиеся адгезией и явлениями схватывания поверхностей. Под действием химических реакций с окружающей средой поверхности трения покрытий окисляются. Многократные деформации микронеровностей поверхностей трения покрытий приводят к разрушению образовавшихся оксидов.

Термообработка №Р и композиционных №Р-8Ю покрытий сама по себе практически не изменяет механизма их изнашивания. Но повышение твердости матрицы при термообработке снижает абразивную составляющую изнашивания, поэтому независимо от

состава покрытий термообработка снижает их износ. Однако, как указывалось выше, в сочетании с разными концентрациями добавок термообработка может оказывать неоднозначное влияние на износ покрытий.

Из табл. 2 видно, что при введении в нетермообработанные №Р покрытия карбидов кремния в количестве ВО г/л в электролите наблюдается понижение величины износа. Более высокое содержание БЮ приводит к значительному повышению изнашивания нетермообработанных покрытий.

Таким образом, при соблюдении баланса между коэффициентом трения и теплопроводностью материалов трибопары, в соответствии с выражением (6), можно определить состав композиционного электролитического покрытия, обеспечивающего минимальный уровень износа.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния режима фретгинг-изнашивания на триботехнические характеристики покрытий.

Как показали исследования, на поверхности трения №Р и композиционных №Р-8Ю покрытий после фреттинг-изнашивания имеются глубокие борозды и продукты износа в виде оксидов и спекшихся оксидных пленок. Общий вид поверхностей трения №Р и композиционных МР-БЮ покрытий после фреттинга представлен на рис. 6. Из рис. 6а видно, что зона контакта представляет собой овал с нечеткими границами и скопившимися по краям со всех сторон продуктами износа. Зона контакта неоднородна: в центратьной части наблюдаются оксидные пленки. Малая амплитуда смещений при фрепинге затрудняет выход продуктов разрушения из зоны контакта. Отделившиеся частицы образуют твердые абразивные оксиды, которые способны увеличить изнашивание. На поверхности трения 1Ч1Р покрытий (рис. 66) заметны также крупные трещины, перпендикулярные направлению движения. Такие усталостные трещины, проходящие через поврежденные поверхности перпендикулярно направлению фреттинга, являются характерной особенностью фретшнг-изпапшвания.

Результаты химического анализа поверхностей трения покрытий представлены в табл. 3. При фреттияг-изнапшвании формирование оксидных пленок на поверхностях трения происходило на всех исследованных покрытиях, в том числе и композшщонпых Ы^Р-ЗЮ покрытиях. Образованные в процессе трения твердые абразивные оксиды имеют различную форму и ориентацию по отношению к трущимся поверхностям. Способность абразивных частиц вдавливаться в поверхность трущихся тел зависит не только от их твердости, но и от их геометрической формы. Например, острые кромки зерен, оксидов или 8Ю могут быть внедрены без разрушения в гладкую поверхность достаточно прочного контртела. Это объясняет наблюдаемое изнашивание корундового шара абразивными частицами меньшей

твердости при трении №Р покрытий без добавок карбидов кремния. При фреттинге продукты изнашивания не удаляются немедленно из зоны контакта, под действием нагрузки они вдавливаются в поверхность трения, окисляются и спекаются в пленки. Эти пленки разрушаются в процессе изнашивания и формируются снова. Таким образом, в зависимости от амплитуды фреттинг-изнашивание имеет либо преимущественно абразивно-окислительный либо окислительно-абразивный характер для всех исследованных покрытий.

Рис. 6. Микроструктура поверхности трения нетермообработанных №Р-81С покрытий (а)

и №Р покрытий (б).

Таблица 3

Химический состав поверхностей трения №Р и композиционных №Р-8Ю покрытий при фреттинг-изнашивании

Покрытие Элемент, вес. %

№ Р 81 С О А1

№Р Нетермообработанное 80,75 8,84 - - 9,12 1,30

Термообработанное 85,17 11,21 - - 3,62 -

Кромка поверхности трения 62,05 8,96 - - 26,23 2,76

Продукты износа 53,73 8,20 - - 33,23 4,84_|

№Р-81С Нетермообработанное 57,07 7,24 2,53 3,76 27,12 2,29

(80 г/л Термообработанное 78,34 10,46 3,32 4,66 3,22 -

БЮ) Кромка поверхности трения 59,91 8,10 1,05 6,08 22,62 2,25

Продукты износа 51,60 6,89 0,99 7,15 30,21 3,16

МР-вЮ Нетермообработанное 59,74 7,90 3,86 4,42 21,95 2,13

(200 г/л Термообработанное 76,52 9,27 4,53 5,63 3,09 0,96

ЭЮ) Кромка поверхности трения 50,44 6,83 3,59 6,11 30,47 2,56

Продукты износа 42.17 5,36 3,69 7,38 37,87 3,52

Внешний вид зависимостей коэффициентов трения покрытий от количества циклов воздействий при фреттинг-изнашивании имеет сглаженный характер (рис. 7), кардинально отличающийся от скачкообразного при непрерывном скольжении (рис. 5). Это объясняется тем, что продукты износа длительное время не удаляются из зоны контакта, что отражается на характере зависимости

В табл. 4 приведены средние значения коэффициента / трения, полученные при фреттинг-изнашивании покрытий.

до отжига

— №Р

— №Р-йС, 80 г/п

— №Р-5Ю, 200 г/л

X o.í

5QGQ 10000 15000

Число циклов воздействий N

после отжига --№Р

--- NiP-SiC, 80 г/л

-NiP-SiC, 200 г/л

5000 10000 15000

Число циклов воздействий N

Рис. 7. График изменения коэффициента трения нетермообработанных (а) и термообработанных (б) покрытий (амплитуда 500 мкм, нагрузка 10 Н)

Результаты трибологических испытаний композиционных №Р покрытий при фретгинг-изнашивании.

Таблица 4

Состав Нетермообоработаяное Термообработашгое

покрытий Наг- Микро Коэффициент Приведенная Микро Коэффициент Приведенная

руз- твер- трения / интенсивность твер- трения / интенсивность

ка, Н дость, рНУ линеиного износа к ■ 10'5, мкм дость, цНУ линеиного износа к • 10"5, мкм

Амплитуда, мкм Амплитуда, мкм

100 500 100 500 100 500 100 500

NiP 1 580 0,48 0,43 2,13 1,22 1090 0,59 0,57 2,06 1,44

5 0,44 0,4 2,72 1,64 0,4 0,38 2,63 2,20

¡0 - 0,34 - 5,38 - 0,33 - 2,89

NiP-SiC, 1 700 0,48 0,64 4,32 2,36 1150 0,57 0,67 5,01 1,85

80 г/л 5 0,46 0,48 5,59 6,58 0,45 0,39 5,33 3,02

10 - 0,44 - 9,86 - 0,35 - г 3,95

NiP-SiC, 1 730 0,5 0,42 3,65 1,97 1450 0,58 0,46 4,36 1,90

200 г/л 5 0,48 0,48 4,17 3,60 0,46 0,44 4,61 3,01

10 - 0,44 - 10,84 - 0,38 - 6,22

При фреттинге в пределах длины А амплитуды колебаний можно выделить две зоны: предварительного смещения - длиной Д„ и скольжения - длиной Дс. В зоне предварительного смещения скольжение между контактирующими поверхностями отсутствует. Это, на наш взгляд, является причиной того, что при фреттинге давление рг оказывает двоякое влияние на коэффициент трения:

- с одной стороны, с увеличением рг уменьшается молекулярная составляющая коэффициента трения и увеличивается длина Дп зоны предварительного смещения, в которой действует только что уменьшает коэффициент /трения;

- а с другой стороны, с увеличением рг увеличивается механическая составляющая /)

коэффициента трения и уменьшается длина До зоны скольжения, в которой действует коэффициент внешнего трения движения, что увеличивает коэффициент / трения при фреттинге.

Поэтому в сочетании с амплитудой А сдвига, концентрацией добавок и

термообработкой давление рг может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на коэффициент/трения при фреттинге. Очевидно, существует некоторое сочетание фрикционных параметров и давления, при котором коэффициент трения минимален.

При термообработке N1? покрытий изменяются их физико-механические свойства, в том числе увеличивается твердость. Поэтому при одной и той же нагрузке уменьшается фактическая площадь касания трущихся поверхностей, что увеличивает фактическое давление р, на фрикционном контакте. Увеличение давления рг может оказывать двоякое влияние на коэффициент / трения: уменьшить молекулярную составляющую коэффициента трения, одновременно увеличивая механическую составляющую Указанным обстоятельством можно объяснить полученный результат: повышение коэффициента трения при термообработке №Р покрытий и малых нацзузках и уменьшение коэффициента трения при совместном действии термообработки и повышения давления в условиях фреттипга.

Негативное влияние на коэффициент трения термообработки N1? покрытия, а также совместного действия амплитуды А сдвига, давления рг и наличия твердых включений БЮ можно объяснить изменением механической составляющей /а коэффициента внешнего трения движения. С увеличением амплитуды А сдвига увеличивается длина зоны внешнего трения движения, а в этих условиях, как известно, повышение давления рг и высоты твердых микронеровностей, образуемых включениями БЮ на контактирующих поверхностях, повышает механическую (деформационную) составляющую /а коэффициента трения и его суммарную величину.

Из табл. 4 видно, что на фретгинг-изнашивание исследуемых покрытий оказывают влияние их состав, термообработка и условия фретганга (нагрузка и амплитуда сдвига). При отжиге покрытий при температуре 420 °С происходит выделение твердой кристаллической фазы №зР, которая существенно.(в 1,5-2 раза) повышает микротвердость покрытий. Кроме того, как видно из табл. 4, добавка упрочняющих субмикронных карбидов кремния тоже повышает микротвердость покрытий, правда, пе столь значительно, как. термообработка. Причем, чем выше концентрация включений БЮ, тем выше микротвердость покрытий.

Известно, что при абразивно-механическом изнашивании с повышением микротвердости материалов их износостойкость повышается. Однако, из данных, приведенных в табл. 4, видно, что на фретгинг-изнашивание оказывает положительное

влияние лишь повышение микротвердости, связапное с термообработкой покрытий, а повышение микротвердости, связанное с появлением твердых добавок и повышением их концентрации, оказывает неоднозначное влияние.

Работоспособность контактирующих поверхностей при фреттипге снижают различного рода неоднородности в приповерхностном слое, являющиеся концентраторами напряжений. В пашем случае .- это кристаллическая фаза №зР, выделяющаяся при термообработке, и нерастворимые добавки БЮ. Таким образом, термообработка и добавка БЮ, с одной стороны, уменьшают фретпшг-изнашивание покрытий (как факторы, повышающие твердость изнашивающихся поверхностей), а с другой стороны, - повышают фреттинг-изпашивание (как факторы, повышающие неоднородность приповерхностных слоев). Суммарное действие этих факторов и объясняет полученные результаты. Из табл. 4 видно, что термообработка исследуемых покрытий, несмотря на появление неоднородности в приповерхностных слоях в виде кристаллической фазы МзР, приводит к снижению фреттинг-изнащивания, а добавки Бй, несмотря па повышение микротвердости, в большинстве случаев повышают фреттинг-изнашивание. Следовательно, неоднородность в приповерхностных слоях в виде кристаллической фазы N¡3? оказывает не столь значительное влияние на фреттинг-изнашивание, как неоднородность в виде твердых включений. Поэтому наиболее высокую износостойкость при фреггапг-изнашивании показывает термообработанное покрытие №Р без добавок.

С увеличением амплитуды колебаний в пределах 100-500 мкм интенсивность фретгинг-изнашивания уменьшается (для всех исследованных нагрузок, состояний и составов покрытий) за исключением нагрузки 5 Н при составах покрытий в нетермообработанном состоянии с добавками ЭЮ.

Полученные результаты можно объяснить следующим образом:

- с увеличением нагрузки, с одной стороны, увеличивается давление па фршсшошюм контакте, что пропорционально повышает абразивное изнашивание; с другой стороны, с увеличением нагрузки, как известно, увеличивается предварительное смещение контакта, что уменьшает путь внешнего трения и абразивное фреттинг-изнашивапие;

- термообработка, с одной стороны, увеличивает твердость покрытий, что пропорционально уменьшает абразивное изнашивание; с другой стороны, появление твердой кристаллической фазы №зР повышает структурную неоднородность покрытия, что повышает фреттинг-изнашивание;

- то же самое происходит при увеличении в составе покрытий твердых 81С добавок;

- с уменьшением амплитуды колебаний и увеличением нагрузки уменьшается относительное перемещение трущихся тел и вероятность удаления твердых продуктов

изнашивания в виде оксидов из зоны трения, что интенсифицирует окислительную составляющую изнашивания.

Выше приведен анализ прямого действия каждого из рассмотренных факторов трения на фреттинг-гонапшвание. Однако следует учитывать совместное действие этих факторов на фретгинг-изнапшвание. Как указывалось выше:

- чем больше нагрузка, тем больше предварительное смещение Д„, тем меньше длина участка пути внешнего трепия в пределах заданной амплитуды колебаний;

- чем меньше нагрузка и концентрация Б^С, тем выше отрицательный эффект неоднородности структуры от термообработки (появление кристаллической фазы N¡3?);

- термообработка изменяет не только твердость, но и упругие параметры контакта, изменяющие предварительное смещение;

- уменьшение нагрузки и концентрации БЮ, а также применение термообработки уменьшает Ап, что увеличивает длину участка пути впешнего трения и изнашивание.

Таким образом, повышение отрицательного эффекта действия неоднородности структуры (фазы МзР) от термообработки на фреттинг-изнашивание покрытия в связи с уменьшением нагрузки и концентрации БЮ можно объяснить уменьшением предварительного смещения и увеличением длины участка пути внешнего трения.

Как показали исследования (табл. 3 и 4), в большинстве рассмотренных случаев при фретганг-изнашивании химическая составляющая проявлялась в виде образования оксидных пленок на поверхности трения, действие механической составляющей при этом было направлено на срез этих пленок. При малых нагрузках (до 5 Н) оксидные пленки оказывали успешное сопротивление износу. При приложении нагрузки 10 Н и амплитуде сдвига 500 мхм оксидные пленки разрушались и как абразив интенсифицировали изнашивание. При приложении нагрузки 10 Н и амплитуде колебаний 100 мкм происходило схватывание с образованием задиров на поверхности трения.

Пятая глава посвящена исследованию влияния режима фреттинг-коррозии на триботехнические характеристики покрытий.

Типичная поверхность трения покрытий после фреттинг-коррозии в растворе №С1 представлена на рис. 8. Во всех случаях на поверхностях трения покрытий были замечены борозды, параллельные направлению движения при фреттинг-коррозии, но они менее выражены и их количество по сравнению с фреттингом на воздухе было значительно меньше. Такие борозды характерны для абразивного изнашивания, следов адгезии на хнтртеле обнаружено не было. При этом края поверхностей трения имели ровные четко выраженные границы, тогда как при фретганг-изнашивании на воздухе границы поверхностей трения всех исследованных покрытий были покрыты оксидными пленками.

Продукты износа расположены на некотором удалении от поверхности трения. При фреттинг-коррозии они удаляются из зоны трения раствором КаС1, оседают в нем и не оказывают заметного влияния на процесс изнашивания.

Рис. 8. Поверхность трения термообработанных покрытий: а) №Р;

Как видно из рис. 8, основное отличие поверхности трения №Р покрытий при фретгинг-коррозии от фретшнг-изнашивания заключается в наличии темных точек -питтингов на поверхности трения покрытий. Питтинговая коррозия представляет собой разрушение в виде полостей или язв, начинающихся с поверхности. Такое разрушение поверхности типично для фреттинг-коррозии пассивных металлов при наличии в коррозионной среде ионов-активаторов процесса, в данном случае хлора и растворенного в воде кислорода. Зарождение питтингов происходит в местах дефектов пассивной пленки (царапины, разрывы) или в ее слабых местах (дефекты строения, 1раницы зерен, неоднородность сплавов и т.п.). Активирующие анионы воздействуют на активные центры пассивирующего слоя. При фреттинг-коррозии такие центры периодически выходят на пассивную поверхность по мере ее растворения, образуя участки с кратковременно повышенной локальной скоростью растворения, которые и могут стать зародышами питтингов. В композиционных №Р-81С покрытиях распространение коррозии начинается также вокруг карбидов кремния, внедренных в матрицу. Причем, в местах скопления карбидов кремния при их повышенном (200 г/л) содержании в покрытиях размеры питтинговой коррозии могут достигать 4 мкм в диаметре.

При нагружении 10 Н и амплитуде 500 мкм нетермообработанные композиционные МР-ЭЮ покрытия имеют на поверхности трения темные участки, в которых присутствуют признаки усталостного разрушения поверхности: микроскопические выступы и впадипы (экструзии и интрузии). Усталостное разрушение в аморфных сплавах, как и в кристаллических материалах, происходит путем зарождения и распространения трещин. При переменных нагрузках на границах внутренних неоднородностей и поблизости от

микроскопических полостей и различных дефектов поверхности возникает концентрация напряжений, которая приводит к микропластичным деформациям сдвига отдельных включений покрытий (при этом на поверхности отдельных частей могут появляться полосы скольжения) и накоплениям сдвигов, что па покрытиях проявляется в виде экструзий и интрузий.

Результаты химического анализа поверхностей трения исследованных покрытий при фрегганг-коррозии в растворе КаС1 представлены в табл. 5. Химический анализ поверхностей трения №Р покрытий не выявил существенных различий между термообработанным и нетермообработанным состоянием. Кислород в незначительном количестве (1-2 вес. %) обнаружен лишь в продуктах износа и в темных зонах на изнашиваемых поверхностях покрытий. У нетермообработанных покрытий в темных зонах кислород присутствовал в количестве примерно 7-10 %, у термообработанных композиционных ЖР-БЮ покрытий кислород был обнаружен только в продуктах изнашивания, представляющих собой частицы темного и светлого цветов.

Таблица 5

Химический состав поверхностей трения N¡1' и композиционных ШР-ЭЮ покрытий при фретпшг-коррозии

Покрытие Элемент, вес. %

№ Р С О А1

№Р Нетермообработанное 90,11 9.89 - - - -

Термообработанное 89.85 10.15 - - - -

Продукты износа 87,02 10,61 - - 1,05 1,32

№Р-з;с Нетермообработанное 80.68 9.53 4.55 3.35 1.90 -

(80 г/л Темная зона 64.22 11.82 6.41 4.46 10.30 2.80

ЭЮ) Термообработанное 79.46 10.71 3.30 6.52 - -

Светлые частицы (1) 3,94 2,83 36.95 56.28 - -

Темные частицы (2) 27.80 6.43 24.73 4.54 36.51 -

Продукты износа 44.85 11.26 27.36 14.83 1.07 0.62

МР-ЭЮ Нетермообработанное 81.31 8.30 5.16 3.24 1.99 -

(200 г/л Темная зона 33.23 8.90 33.41 17.95 6.50 -

БЮ) Термообработанное 75.88 9.48 5.80 8.85 - -

Светлые частицы (1) 2.61 4.41 42.59 50.39 - -

Темные частицы (2) 29.00 14.43 13.53 6.47 28.72 -

Продукты износа 42,58 10,72 22,46 21,03 1,98 1,14

Внешний вид зависимостей коэффициентов трения покрытий от количества циклов воздействий при фретпшг-коррозии так же, как и при фреттинге на воздухе, имеет сглаженный характер (рис. 9). Можно предположить, что при фретгинг-коррозии трение граничное, так как осуществляется в жидком растворе №С1, и значения коэффициентов трения покрытий (табл. 6) значительно ниже, чем при непрерывным скольжении или фреттинг-изнашивашш. При этом кроме давления (нагрузки) все исследованные факторы не

оказывают существенного влияния на величину коэффициента трения при фретгинг-коррозии. Что касается давления, то с его повышением коэффициент трения уменьшается по тем же причинам, что и при фреттинг-изнашивании.

Результаты трибологических исследований при фретгинг-коррозии №Р и композиционных №Р-51С покрытий представлены в табл. 6. Из табл. 6 видно, что на фретшнг-коррозию исследуемых покрытий в растворе ЫаС1 оказывают влияние их состав и термообработка, а также нагрузка и амплитуда сдвига при фреттинге. Для анализа полученных результатов рассмотрим механические и химические факторы изнашивания при фретгинг-коррозии.

Рис. 9. График изменения коэффициента трения петермообработанных (а) и термообработанных (б) покрытий (амплитуда 500 мкм, нагрузка 10 Н)

Таблица 6

Результаты трибологических испытаний композиционных №Р покрытий при фреттинг-коррозии

Исходное состояние После отжига

Состав Наг- Микро Коэффициент Приведенная Микро Коэффициент Приведенная

покры- руз- твер- трения f интенсивность твер- трения/ интенсивность

тии ка, II дость, цНУ линейного износа к ■ 10"5, мкм дость, линеиного износа к ■ 10~5, мкм

Амплитуда, мкм Амплитуда, мкм

100 500 100 500 100 500 100 500

№Р 1 580 - - 2,80 2,68 1090 0,23 0,22 2,73 2,30

5 0,19 - 4,85 6,50 0,16 0,18 4,45 5,50

10 - 0,2 - 10,20 - 0,16 - 7,03

МР-БЮ, 1 700 - - 4,83 3,75 1150 0,3 0,21 6,25 3,68

80 г/л 5 0,2 - 5,25 6,75 0,17 0,19 8,50 5,68

10 - 0,21 - 7,70 - 0,18 - 9,40

МР^С, 1 730 - - 5,35 3,75 1450 0,22 0,28 5,40 3,70

200 г/л 5 0,23 - 6,50 5,90 0,19 0,22 7,25 7,13

10 - 0,23 - 9,18 - 0,19 - 9,50

Повышение микротвердости покрытий при термической обработке в результате выделения твердой кристаллической фазы №зР и добавок субмикронных карбидов кремния, а также уменьшение свободной энергии при отжиге способствуют снижению интенсивности изнашивания при фретгинг-коррозии. В то же время известно, что термообработка №Р покрытий повышает их структурную неоднородность, вызванную выделением кристаллической фазы №зР. Повышает структурную неоднородность покрытий также введение субмикронных добавок карбидов кремния. Указанные факторы способствуют повышению изнашивания при фретгинг-коррозии. В результате термообработка при идентичных условиях нагружения практически не изменяет фреттинг-коррозию.

Известно, что нагрузка увеличивает абразивное изнашивание подвижного фрикционного контакта. В то же время с увеличением нагрузки увеличиваются герметичность контакта и предварительное смещение при фретганге, что уменьшает вероятность попадания химически активной среды в зону контакта и снижает величину химической составляющей фретгинг-коррозии. Очевидно, первый фактор является превалирующим (это видно из табл. 6).

Амплитуда сдвига фрикционного контакта оказывает неоднозначное влияние на фреттинг-коррозию. Если величина амплитуды сопоставима с предварительным смещением, то, с одной стороны, уменьшается вероятность попадания химически активной среды в зону трения, что снижает величину химической составляющей фреттинг-коррозии, а с другой сторопы, заблокированные в зоне трения твердые продукты изнашивания, увеличивают механическую составляющую фретгинг-коррозии.

Если величина амплитуды больше предварительного смещения, то улучшаются условия для попадания химически активной среды в зону трения, способствующие увеличению химической составляющей изнашивания. В то же время улучшаются условия для удаления (вымывания раствором) продуктов изнашивания из зоны трения, что уменьшает механическую составляющую фреттинг-коррозии. Указанные выше факторы, очевидно, оказывают также и совместное влияние на интенсивность фреттинг-изнашивания. Например, при различных составах №Р покрытий и величинах амплитуды колебаний (в сопоставимых условиях нагружения) фретгинг-коррозия практически не зависит от термообработки (за исключением МР-БЮ, 80 г/л при А = 100 мкм).

БЮ добавки (независимо от их концентрации в исследованном диапазоне) увеличивают интенсивность изнашивания КЭП при фреттинг-коррозии примерно в 1,5 раза лишь при малых нагрузках. При больших нагрузках наличие и концентрация БЮ не оказывают заметного влияния на фреттинг-коррозию №Р покрытий.

Степень влияния амплитуды колебаний на фретганг-коррозию покрытий зависит в основном от величины пагрузки: при малой нагрузке с увеличением амплитуды (независимо от состава покрытия и термообработки) интенсивность фреттинг-коррозии уменьшается; при более высоких нагрузках интенсивность фреттинг-коррозии практически не зависит от амплитуды колебаний.

Для оценки химической составляющей фретгииг-коррозии покрытий провели потенциостатические и потенциодинамические исследования. Типичные кривые поляризации покрытий, полученные в 0,5 М водном растворе №С1, представлены на рис. 10. Перед началом фреттинг-испытаний для перевода №Р покрытий в пассивное состояние, т.е. для обеспечения процесса самопроизвольной пассивации и формирования па поверхности пассивной пленки, образцы выдерживали в растворе КаС1 до стабилизации поляризационных кривых.

погыхпкал

Г-" ■

J ^

Время, с

1,0 »00

Бремя, с

Рис. 10. Потенциостатические и потенциодинамические исследования фреттинг-коррозии нетермообработаппых №Р покрытий (а) и №Р-Б1С покрытий 80 г/л (б).

При возникновении фреттинг-холебаний пассивирующая пленка на поверхности покрытий разрушается, а электрический ток, соответственно, повышается. При этом происходит активпое растворение №Р покрытия и одновременно прекращается выделение газообразного хлора. Таким образом, процесс коррозии покрытий при фреттинге можно представить в следующей последовательности: пассивация (выделение газообразного хлора) - фретгинг (нарушение пассивирующей пленки) - разрушение пассивирующей пленки (активпое растворение) и т. д.

Как видно из рис. 10 пассивное состояние покрытий характеризуется постояшюй во времени скоростью коррозии (ток и потенциал при этом постоянны). Потенциал №Р покрытий независимо от наличия добавок при начале фреттинг-испытаний резко падает, а по окончании процесса при снятии нагрузки и удалении контртела возвращается к исходным значениям. Сдвиг электродного потенциала в сторону отрицательных значений объясняется механо-химическим эффектом: увеличением напряжений на поверхностях

трения покрытий в начале фреттинг-испытаяий (причем направление изменения потенциала не зависит от знака напряжений). Ток, напротив, при начале фреггинг-испытаний резко возрастает, а при окончании процесса падает до исходных значений.

Установлено, что термическая обработка покрытий практически не изменяет сдвиго-электродного потенциала и химическую составляющую изнашивания.

Полученные результаты по изнашиванию при фреттинг-коррозии свидетельствуют о том, что механические факторы оказывают превалирующее влияние на процесс изнашивания по сравнению с влиянием химических факторов. На это указывает идентичный характер влияния различных параметров трения (нагрузки, амплитуды сдвига, термообработки и состава покрытий) на интенсивность изнашивания как при фреттипг-изнашиващш, так и при фреттинг-коррозии. Например, если при концентрации карбидов кремния 80 г/л интенсивность фреттинг-изнапшвания покрытия максимальна, то при этой же концентрации максимальна и фреггинг-коррозия покрытия.

В тестой главе выполнен обобщенный анализ полученных триботехнических характеристик покрытий и представлены практические рекомендации.

Статистическая обработка экспериментальных результатов позволила получить математические модели зависимости триботехнических характеристик — коэффициента трения у и величины износа у: электролитических №Р покрытий (при 20000 циклах воздействий) от количества упрочняющих добавок БЮ (*2), выделения кристаллической фазы №эР в результате термической обработки (*;), давления (х)) и амплитуды сдвига (*,): при фреттинг-изнашивадии:

у = 0,4694 + 0,0156*,- 0,0344*3 - 0,0219х4 - 0,03 Обод +

+ 0,0219вд + 0,0119*3*, + 0,0106*2*5**; (9)

у, = 1,083 + 0,281*2 + 0,14б*з - 0,234*4 - 0,082*2*4 - 0,069 *,*2*4; (10)

при фреттинг-коррозии:

У! = 1,919 + 0,330*2 + 0,484*з + 0,096*1*2 - 0,154*2*4 + 0,146*з*4. (11)

Все математические модели были проверены на адекватность при 5 %-ном уровне значимости.

Из выражения (9) видно, что наиболее значимое влияние на коэффициент/трения при фреттинг-изиашивании покрытий оказывают давление на фрикционном контакте, амплитуда сдвига и сочетание давления и термической обработки, уменьшающие величину^ а также сочетание давления и содержания добавок карбида кремния, увеличивающие величину / Установлено, что при малых нагрузках совместное действие добавок карбидов кремния ЭЮ и термической обработки приводит к уменьшению коэффициента трения N1? покрытий, а при увеличении давления на контакте коэффициент трения №Р покрытий снижается и

является наименьшим в условиях больших амплитуд (500 мкм) и отсутствии добавок карбидов кремния.

Из выражения (10) следует, что наиболее значимое влияние на высоту изношенного слоя при фреттинг-изнашивании покрытий оказывают содержание добавок карбида кремния, давление на контакте и амплитуда сдвига. С увеличением содержания добавок карбида кремния и давления износ покрытий увеличивается. С увеличением амплитуды износ уменьшается, этому способствует также совместное влияние содержания добавок БЮ и амплитуды; термической обработки, содержания ЭгС и амплитуды. Наименьшее изнашивание обеспечивает №Р покрытие без добавок при максимальной амплитуде сдвига (500 мкм).

Выражение (11) свидетельствует, что наиболее значимое влияние на высоту изношенного слоя покрытий при фретгинг-коррозии оказывают давление и содержание добавок карбида кремния, а также совместное влияние давления и амплитуды сдвига и содержания добавок ЭЮ и амплитуды. С увеличением содержания добавок карбидов кремния и давления износ покрытий возрастает, а с увеличением амплитуды износ покрытий снижается. Термообработка покрытий практически не влияет на их изнашивание при фреттинг-коррозии, но в сочетании с добавками БЮ увеличивает износ №Р покрытий. Поэтому минимальную интенсивность изнашивания покрытий при фретгинг-коррозии покрытий можно получить при применении покрытий, содержащих минимальное количество добавок ЭЮ в условиях больших амплитуд сдвига и малых давлений.

Экспериментальные результаты по изнашиванию покрытий и антифрикционных материалов с дисперсной структурой подтвердили универсальность функциональной зависимости (6) массопереноса (износа) материала покрытий от физико-механических (в том числе и трибологических) характеристик фрикционного контакта, полученную с помощью методов неравновесной термодинамики. На основе предложенной формулы (6) был разработал способ нанесения электролитических покрытий с включенными в них упрочняющими частицами. Данный способ позволяет определить оптимальное количество упрочняющих добавок в электролитических покрытиях с максимальной износостойкостью, сократить трудоемкость исследования покрытий. В результате использования данного способа обеспечивается максимальная износостойкость электролитических покрытий с упрочняющими добавками, сокращение числа исследований при разработке и изготовлении покрытий. Способ реализован при разработке технологического процесса панесения износостойких покрытий на детали авиадвигателя АЛ-31Ф (ОАО «УМПО», г. Уфа).

Полученные экспериментальные и теоретические результаты явились основой для разработки способа изготовления поверхностного слоя с антифрикционными свойствами на

металлических изделиях типа тел вращения за счет изменения дисперсной структуры с помощью технологических методов поверхностной пластической деформации. В результате использования предлагаемого способа обеспечивается минимальная шероховатость рабочей поверхности вкладыша подшипника скольжения, сокращение периода приработки и минимальная интенсивность износа. Предложенный способ принят к реализации на предприятии «Энергоремонт» АО «Башкирэнерго» (г. Уфа) при изготовлении вкладышей подшипников скольжения паровых турбин.

Приведено описание информационной базы данных по триботехническим и технологическим характеристикам (ИБД ТХМ) различных пар трения, в том числе с покрытиями. ИБД ТХМ представлена в виде пакета программ для ПЭВМ, которые рекомендованы ОКБ, НИИ и промышленным предприятиям, занятым созданием новой техники, разработкой новых материалов и покрытий. Расширенная и дополненная информационная база данных принята к использованию па предприятии ОАО «УАП «Гидравлика» г. Уфа.

Материал диссертации используется в УГАТУ при изучении студентами курсов «Детали машин и основы конструирования» и «Триботехника в реновации».

В приложении приведены некоторые акты производственных испытаний и использования материалов диссертации на промышленных предприятиях и в учебном процессе.

В заключении приведены основные выводы и результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. С помощью методов неравновесной термодинамики предложены пути решения научной проблемы повышения эффективности применения износостойких электролитических покрытий (с учетом их термообработки и наличия твердых добавок), обеспечивающих в заданных условиях трения уменьшение интенсивности изнашивания за счет протекания на поверхностях трения неравновесных процессов образования вторичных структур и уменьшения производства энтропии.

2. Научно обоснована и апробирована методология исследования трибологических характеристик ЭИП, позволяющая оценить и сравнить отдельное и совместное влияние различных факторов на процессы трения и изнашивания в условиях непрерывного скольжения и фретганга в обратных парах трения.

3. Металлографические исследования и микрохиманализ поверхностей трения и продуктов изнашивания показали, что при непрерывном скольжении и фреггинге на воздухе изнашивание ИЭП имеет абразивно-окислительный характер: преимущественно-абразивный для композиционных №Р-8Ю покрытий (КЭП) и преимущественно окислительный для №Р покрытий с разрушением оксидов никеля. Добавки карбида кремния, хотя и увеличивают

твердость композиционных NiP-SiC покрытий, но препятствуют сцеплению оксидных пленок на поверхности трепия. Установлено растрескивание матрицы NiP вокруг частиц карбида кремния при термообработке.

4. Металлографические исследования и микрохиманализ поверхностей трения и продуктов изнашивания показали, что при фреттинг-коррозии ИЭП в среде NaCl образование оксидов никеля практически отсутствует. На поверхностях трения композиционных NiP-SiC покрытий обнаружены свободные частицы SiC, которые как абразив участвуют в процессе фретгинг-коррозии. Потенщгостатические и потепциодинамические исследования подтвердили наличие химической составляющей изнашивания в связи с удалением поверхностной пассивирующей плешей и анодным растворением с образованием питгангов.

5. Научно обосновано совместное влияние различных факторов на процессы трения и изнашивания ИЭН; раскрыт механизм этого влияния. Установлено, что наиболее значимое влияние на коэффициент/трения при фретгинг-изнашивании покрытий оказывают давление па фрикционном контакте, амплитуда сдвига и сочетание давления и термической обработки, уменьшающие величину / а также сочетание давления и содержания добавок карбида кремния, увеличивающие величину f. Планирование эксперимента показало, что при малых нагрузках совместное действие добавок карбидов кремния SiC и термической обработки приводит к уменьшению коэффициента трения NiP покрытий, а при увеличении давления на контакте коэффициент трения NiP покрытий снижается и является наименьшим в условиях больших амплитуд (500 мкм) и отсутствии добавок карбидов кремния.

6. Показало, что добавки карбида кремния увеличивают твердость композициоппых NiP-SiC покрытий, по при этом препятствуют прочному сцеплению оксидных пленок на поверхности трения. Это обстоятельство, а также растрескивание матрицы NiP вокруг частиц SiC при термообработке приводят к иптенсификации изнашивания NiP-SiC покрытий с концентрацией SiC 200 г/л, тогда как NiP-SiC покрытия в нетермообработанном состоянии с концентрацией 80 г/л обеспечивают наименьшее изнашивание в условиях непрерывного трения скольжения.

7. Получено, что с увеличением содержания добавок карбида кремния и давления фреттинг-изнашивание покрытий увеличивается. Увеличение амплитуды уменьшает изнашивание, этому способствует также совместное влияние содержания добавок SiC и амплитуды; термической обработки, содержания SiC и амплитуды. Наименьшее изнашивание обеспечивает NiP покрытие без добавок при максимальной амплитуде сдвига (500 мкм).

8. Показано, что наиболее значимое влияние на высоту изношенного слоя покрытий при фреттивг-коррозии оказывают давление и содержание добавок карбида кремния, а также совместное влияние давления и амплитуды сдвига и содержания добавок SiC и амплитуды. С увеличением содержания добавок карбидов кремния и давления юное покрытий возрастает, а с увеличением амплитуды износ покрытий снижается. Термообработка покрытий практически не влияет на их изнашивание при фрегганг-коррозии, но в сочетании с добавками SiC увеличивает износ NiP покрытий. Поэтому минимальную интенсивность изнашивания покрытий при фреттииг-коррозии покрытий можно получить при применении покрытий, содержащих минимальное количество добавок SiC в условиях больших амплитуд сдвига и малых давлений.

9. Показано, что в сопоставимых условиях контактирования интенсивность изнашивания покрытий при фреттинге в 1,3-3,5 раза выше, чем при непрерывном скольжении. При этом фретшнг-коррозия происходит в 1,3-1,6 раза более интенсивно, чем фреггивг-изнашивание. С уменьшением амплитуды эта разница в изнашивании увеличивается. Чем меньше амплитуда сдвига, тем больше продуктов износа остается в зоне контакта, что интенсифицирует изнашивание. При фретшнг-коррозии изнашивание увеличивается за счет дополнительного действия химической составляющей.

10. Экспериментальные результаты по изнашиванию покрытий и антифрикционных материалов с дисперсной структурой подтвердили универсальность функциональной зависимости (6) массопереноса (износа) материала от физико-механических (в том числе и трибологических) характеристик фрикционного контакта, полученную с помощью методов неравновесной термодинамики. Это позволяет рекомендовать использовать формулу (6) для прогнозирования и повышения износостойкости покрытий и антифрикционных материалов (с учетом условий трения).

11. Разработанная информационная база данных по трибологическим и технологическим характеристикам позволяет оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать по износостойкости выбор и применение НЭП с учетом заданных условий работы. Результаты работы апробированы на машиностроительных предприятиях и ОКБ в виде рекомендаций по проектированию, созданию и применению ИЭП. Полученные результаты используются также в учебном процессе при изучении студентами дисциплины «Триботехника в реновации».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах из списка ВАК РФ

1. The Influence of Strain-Heat Processing on Copper Wear // Wear. 1997. V. 212, pp. 160164 (соавт. Sadykov F.A., Barykin N.P.).

2. Wear of copper and its alloys with submicrocrystalline structure // Wear. 1999. V. 225229, pp. 649-655 (соавт. Sadykov F.A., Barykin N.P.).

3. Влияние деформационно-термической обработки на износ меди // Известия РАН. Металлы 1998. № 6. С. 95-97 (соавт. Садыков Ф.А., Барыкин Н.П.).

4. Выбор режимов поверхностной пластической деформации вкладышей подшипников скольжения паровых турбин // Кузнечно-штамповочное производство 1999. № 4. С. 16-19 (соавт. Барыкин Н.П., Шустер Л.Ш., Садыков Ф.А., Гутин М.Е.).

5. Влияние деформационпо-термической обработки на изпос антифрикционных сплавов. // Кузнечно-штамповочное производство 1999. № 10. С. 16-19 (соавт. Барыкин Н.П., Садыков Ф.А.).

6. Wear and failure of babbit bushes in steam turbine sliding bearings // Journal of Materials Engineering and Perfomance. 2000..Vol.9,No.l,pp. 110-115. (соавт. BarykinN.P., Sadykov F.A.).

7. Поверхностная обработка вкладыша подшипника скольжения // Трение и износ. 2000. Том 21, № 6, С. 634-639 (соавт. Барыкин Н.П., Садыков Ф.А.).

8. Износостойкость антифрикционных материалов с дисперсной структурой // Вестник УГАТУ, Уфа, 2001, №1(3), С.145-152 (соавт. Барыкин Н.П., Садыков Ф.А.).

9. К вопросу о структуре баббита Б83 // Материаловедение, 2001, № 8, С. 24-27 (соавт. Барыкин Н.П., Даниленко В.Н., Садыков Ф.А.).

10. Математическое моделирование режимов поверхностного пластического деформирования для повышения износостойкости подшипников скольжения // Трение и износ. 2001. Том 22, № 5, С. 496-501 (соавт. Барыкин Н.П.).

11. Мелкодисперсная керамика как наполнитель для полимеров // Трение и износ, № 2. Т. 26.2005. С. 215 -218 (соавт. Барыкин Н.П.).

12. Effect of reinforcing submicron SiC particles on the wear of electrolytic nip coatings. Part 1: Uni-directional sliding // Surface and Coatings Technologies 200 (2006) 2909 - 2916 (соавт. Bonino J.-P., Celis J.-P.).

13. Effect of reinforcing submicron SiC particles on the wear of electrolytic nip coatings. Part 2: Bi-directional sliding // Surface and Coatings Technologies 201 (2006) 581 - 589. (соавт. Bonino J.-P., Celis J.-P.).

14. Влияние добавок карбидов кремния SiC на изнашивание электролитических NiP покрытий // Трение п износ, № 5. Т. 31. 2010. С. 353 - 361 (соавт. Селис Ж.-П., Шустер Л.Ш.).

15. Изнашивание гальванических никель-фосфорных покрытий // Вестник машиностроения, 2010, № 12, С. 34-38 (соавт. Шустер Л.Ш.).

16. Термодинамические аспекты влияния карбидов кремния на триботехнические характеристики NiP покрытий // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. № 7. С. 2024. (соавт. Шустер Л.Ш.).

17. Изнашивание композиционных NiP покрытий, полученных электролитическим осаждепием // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2010. № 7. С. 20-24 (соавт. Шустер Л.Ш.).

18. Влияние добавок карбидов кремния SiC на фреттинг-изнапшваяие электролитических NiP покрытий // Трение и износ, № 2. Т. 32. 2011. С. 110-115 (соавт. Селис Ж.-П., Шустер Л.Ш.).

19. Фреттипг-коррозия электролитических NiP покрытий // Трение и износ, № 6. Т. 32. 2011. С. 556-561 (соавт. Селис Ж.-П., Шустер Л.Ш.).

20. Фретганг-изнашивание и фреттинг-коррозия электролитических NiP покрытий И Трение и смазка в машипах и механизмах. 2011. № 12. С. 21-25 (соавт. Шустер Л.Ш.).

21. Вопросы изнашивания NiP покрытий // Известия Самарского научного центра РАН. Механика и машиностроение. Том 13, № 4 (42) (3) 2011 (Приложение). С. 23-26 (соавт. Шустер Л.Ш.).

22. Определение факторов, существенно влияющих на фретгинг-изнашивание электролитических NiP покрытий // Вестник УГАТУ, Уфа, 2012, Т. 16, № 1 (46), С. 57-61 (соавт. Семенов В.И., Шустер Л.Ш.).

23. Применение полного факторного эксперимента в процессе волочения со сдвигом // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, Магнитогорск, 2012, Т. 10, № 4 (40), С. 33-37 (соавт. М.В. Чукин, А.Г. Рааб, В.И. Семенов, Г.И. Рааб).

24. Регрессионный анализ фреттинг-коррозии электролитических никель-фосфорных покрытий // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2012, №11. — С. 32-34 (соавт. Шустер Л.Ш.).

25. Трибологические характеристики разлимчяых пар трения яри артропластике крупных суставов // Медицинский вестник Башкортостана. 2013. Т. 8. № 6. - С. 158-161 (соавт. Минасов Б.Ш., Шустер Л.Ш., Якупов P.P., Минасов Т.Б., Чертовских C.B., Емаев И.И.).

Авторские свидетельства на изобретения

26. Асланян И.Р., Шустер Л.Ш. Способ изготовления антифрикционного слоя вкладышей подшипников скольжения. Патент на изобретение № 2480637.27. 04.2013 г.

27. Асланян И.Р., Шустер Л.Ш. Электролитический способ нанесения покрытий. Патент на изобретение № 2476629.27.02.2013 г.

Публикации в прочих изданиях

28. Трибологические характеристики электролитических покрытий в различных условиях трения и изнашиваниях. Монография // М.: Машиностроение, 2013. - 243 с. (соавт. Криони Н.К., Шустер Л.Ш.)

29. Постановка экспериментов при исследовании процессов трения и изнашивания (глава 12 в монографии «Технологии экспериментальных исследований») // Иркутск: Изд-во НИ ИрГТУ. 2011. - 572 с.

30. Поверхностное пластическое деформирование антифрикционных сплавов (глава 8 в монографии «Технологические процессы поверхностного пластического деформирования») // Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2007. - 404 с.

31. Обоснование износостойкости баббита на основе математического моделирования // Труды Первой конференции пользователей CAD-FEM GmbH в СНГ. М. 2001, М. 174-178 (соавт. Барыкин Н.П.).

32. Surface plastic deformation of antifriction materials II Materials of the X-th International Baltic Conference «Materials Engineering & Balttrib*2001», September 27-28, Jurmala, Latvia. Riga, 2001, pp. 177-181 (соавт. Барыкин HU).

33. Влияние упрочняющих SiC частиц на износ электролитических покрытий // Тезисы доклада в сб. УГАТУ «Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане». Уфа, 2003. С. 287-288 (соавт. Барыкин Н.П.).

34. Технологическая и эксплуатационная надежность подшипников скольжения // Materials of the 14th International Tribology Conference January 13-15, 2004 «ТАЕ» Germany, 2004. Vol 2. p. 919-923 (соавт. Барыкин ИЛ).

35. Влияние субмикрошшх частиц карбида кремния на ¡оное покрытия Ni-P II Abstarct of the Ivth International Chromium Colloquium. Saint-Etienne (France), May, 24-27, 2004. P.26 (соавт. Bonino J.-P., Celis J.-P., De Bonté M.).

36. Влияние субмикронных керамических частиц на износ полимера // Материалы международного научно-практического симпозиума «СЛАВЯНОТРИБО-6». Пушкин, 2004. С. 431-435.

37. Влияние упрочняющей фазы на износ полимера И Materials of the IV International Congress «ME"T 04», 2004. Vaina (Bulgaria). 2004. Pp. 43-46.

38. Ультрадисперсная керамика вторичного производства как наполнитель для полимеров // Межвузовский сборник, УГАТУ, № 4.2005. С. 271 - 279 (соавт. Барыкин Н.П.).

39. Fretting-corrosion of electrolytic NiP coatings // Journal of Friction and Wear, 2011, Vol. 32, No. 6, pp; 419-423 (соавт. Селис Ж.-П., Шустер Л.Ш.).

40. Исследование износостойкости фосфатных покрытий // Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве». Рыбинск. 2007. С. 243-246.

41. Effect of reinforcing submicron SiC particles on the wear process of electrolytic NiP coatings // Journal of Friction and Wear, 2010, Vol. 31, No. 5, pp. 341-348 (соавт. Селис Ж.-П., Шустер Л.Ш.).

42. Повышение износостойкости фосфатных покрытий // Сборник научных трудов УГАТУ «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ». - Уфа. 2010. С. 63-67 (соавт. Шустер Л.Ш.).

43. Wear of galvanic NiP coatings // Russian Engineering Research, 2010, Vol. 30, No. 12, pp. 1213-1217 (соавт. Шустер Л.Ш.).

44. Термодинамические аспекты влияния карбидов кремния на триботехнические характеристики NiP покрытий // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Трибология -машиностроению». Москва. 2010. С. 92 (соавт. Шустер Л.Ш.).

45. Изнашивание композиционных NiP покрытий, полученных электролитическим осаждением // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению». Москва. 2010. С. 93 (соавт. Шустер Л.Ш.).

46. Триботехпичесхие характеристики композиционных NiP покрытий с внедренными напочастицами SiC II Материалы всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «ГТД нанотехпологии - 2010». Рыбинск: РГАТА. 2010. С. 113-118.

47. Фреттинг-изнашивание электролитических NiP покрытий // Межвузовский научный сборник «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий». Уфа. 2011. С. 259-265 (соавт. Шустер Л.Ш.).

48. The influence of SiC on fretting of electrolytic NiP coatings // Journal of Friction and Wear, 2011, Vol. 32, No. 2, pp. 74-78 (соавт. Селис Ж.П., Шустер Л.Ш.).

49. Фретгинг-коррозия электролитических NiP покрытий // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Поликомтриб-2011». Гомель (Белоруссия). 2011. С. 35-36 (соавт. Шустер Л.Ш.).

50. Влияние термической обработки на триболопгчсские свойства NiP покрытий // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Бернттейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 2011, 26-28 октября. С. 102 (соавт. Шустер Л.Ш.).

51. Fretting-corrosion of NiP coatings // Journal of Friction and Wear, 2011, Vol. 32, No. 6, pp. 419^123 (соавт. Селис Ж.П., Шустер Л.Ш.). .

52. Сравнение износа NiP покрытий при трении скольжения и фреттинг-изнашивании // Межвузовский тучный сборник «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» Уфа: УГАТУ, 2012. С. S9-92. (соавт. Емаев И.И., Шустер Л.Ш.).

53. Влияние различных факторов на коэффициент трения электролитических NiP покрытий при фреттинг-изнашивании И Межвузовский сборник научных трудов «Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования». Тверь. 2012. С. 21-27 (соавт. Шустер Л.Ш.).

54. Термодинамические аспекты изнашивания покрытий с учетом условий трения // Материалы IV Междун. н.-т. конф. «Наукоемкие технологии в машиностроении и даигателестроении» (TM-2012). - Рыбинск: РГАТУ, 2012. - С. 70-74 (соавт. Шустер Л.Ш.).

55. Регрессионный анализ фреттинг-коррозии электролитических NiP покрытий // Материалы (V Междун. н.-т. копф. «Наукоемкие технологии в машиностроении и двигателестроении» (TM-2012). - Рыбинск: РГАТУ, 2012. - С. 74-78 (соавт. Шустер Л.Ш.).

56. Изнашивание электролитических NiP покрытий в условиях фретгинта //Актуальные вопросы машиноведения. Сб. научных трудов, выл.1 - Минск: ОИМ НАБ, 2012. - С. 430-433 (соавт. Шустер Л.Ш.).

57. Триботехнические аспекты трения и изнашивания покрытий // Научи, труды II междунар. научн. конф. «Фувдаме;ггальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». - М.: ИМАШ РАН, 2012.-с. 71-76.

58. Изнашивание NiP покрытий при различных условиях трения // Труды всероссийской н.-техн. конференции «Проблемы машиноведения: трибология - машиностроению», том 2. - М.: ИМАШ РАН, 2012. -. С. 149-151. (соавт. Шустер Л.III.).

59. Определение факторов существенно влияющих на коэффициент трения электролитических NiP покрытий при фреттинг-изнашивании // Труды всероссийской н.-техн. конференции «Проблемы машиноведения: трибология - машиностроению», том 2. - М.: ИМАШ РАН, 2012. - С. 105-107. (соавт. Емаев И.И., Шустер Л.Ш.).

60. Трибологические характеристики различных пар трения при артропластике крупных суставов // Современное искусство медицины, 2013. - № 4 (12). - С. 41-45 (соавт. Минасов Б.Ш., Шустер Л.Ш., Якупов P.P., Минасов Т.Е., Чертовских С.В.).

АСЛАНЯН ИРИНА РУДИКОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 30.04.2014. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman Cyr. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 293.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный -технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

05^01451153

На правах рукописи

АСЛАНЯН ИРИНА РУДИКОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Л.Ш. Шустер

УФА-2014

Содержание

Условные обозначения 6

Введение 8

1. Состояние вопроса по проблеме трения и изнашивания 14 электролитических износостойких покрытий

1.1. Классификация износостойких покрытий 14

1.2. Факторы, влияющие на износостойкость ИЭП на основе никеля 49

1.2.1. Особенности технологического процесса 49

1.2.2. Структура электролитических покрытий 51

1.2.3. Термообработка 52

1.2.4. Упрочняющие добавки для электролитических покрытий 53

1.2.5 Влияние условий трения на изнашивание покрытий 58

1.3. Методологические аспекты исследования износостойкости 61 покрытий

1.3.1. Влияние толщины покрытий 62

1.3.2. Влияние вида изнашивания 66

1.3.3. Роль металлографических исследований и методики их 70 проведения

Выводы по главе 1 76

2. Теоретическая и экспериментальная базы исследования 78

2.1. Общие вопросы термодинамики поверхностей трения 78

2.1.1. Анализ процессов трения и изнашивания с позиций 78 термодинамики необратимых процессов и самоорганизации

2.1.2. Трибосистема как открытая термодинамическая система 81

2.1.3. Термодинамическое обоснование появления вторичных структур 82 при трении

2.1.4. Термодинамика вторичных структур при трении 85

2.2. Термодинамические аспекты изнашивания покрытий с учетом 90 условий трения

2.3. Термодинамические аспекты трения и изнашивания покрытий с 95 упрочняющими добавками

2.4. Способ определения оптимальной по износостойкости 98 концентрации упрочняющих добавок

2.5. Материал, технология нанесения исследуемых покрытий и их 99 термообработка

2.6. Оборудование и методики трибологических испытаний 102

2.6.1. Трение скольжения 103

2.6.2. Фреттинг-изнашивание и фреттинг-коррозия 104

2.6.3. Адгезионное взаимодействие 106

2.7. Оценка изнашивания в различных условиях трения 109

2.7.1. Определение контактных напряжений 109

2.7.2. Определение высоты изношенного слоя 111

2.7.3. Критерий изнашивания 114

2.8. Оборудование и методики металлографических исследований и 114 химического анализа поверхностей трения и продуктов износа

2.9. Методика потенциостатических исследований при фреттинг- 118 коррозии

2.10. Планирование многофакторного эксперимента и статистическая 119 обработка полученных результатов

2.11. Методология исследования триботехнических характеристик 121 покрытий

Выводы по главе 2 125

3. Исследование влияния условий трения скольжения на 126 триботехнические характеристики покрытий

3.1. Морфология и химический анализ поверхностей трения и 126 продуктов износа

3.2. Исследование коэффициента трения при непрерывном 139 скольжении

3.3. Влияние условий трения на изнашивание покрытий 148

3.4. Механизм изнашивания покрытий при трении скольжения 151

3.5. Оптимизация по износостойкости покрытий концентрации 155 упрочняющих добавок

Выводы по главе 3 162

4. Исследование влияния режима фреттинг-изнашивания на 164 триботехнические характеристики покрытий

4.1. Морфология и химический анализ поверхностей трения и 165 продуктов износа при фреттинг-изнашивании

4.2. Исследование коэффициентов трения при фреттинг- 173 изнашивании

4.3. Влияние условий трения на фреттинг-изнашивание покрытий 179

4.4. Механизм изнашивания покрытий при фреттинге 185 Выводы по главе 4 189

5. Исследование влияния режима фреттинг-коррозии на 190 триботехнические характеристики покрытий

5.1. Морфология и химический анализ поверхностей трения и 191 продуктов износа при фреттинг-коррозии

5.2. Исследование коэффициентов трения при фреттинг-коррозии 199

5.3. Влияние условий трения на фреттинг-коррозию покрытий 201

5.4. Потенциостатические исследования фреттинг-коррозии 204 покрытий

5.5. Механизм изнашивания покрытий при фреттинг-коррозии 212 Выводы по главе 5 215

6. Обобщенный анализ триботехнических характеристик 217 покрытий и практические рекомендации

6.1. Результаты многофакторного планирования экспериментов по 217 коэффициенту трения при фреттинг-изнашивании

6.2. Результаты многофакторного планирования экспериментов по 224 износостойкости покрытий при фреттинг-изнашивании

6.3. Результаты многофакторного планирования экспериментов по 232 износостойкости покрытий при фреттинг-коррозии

6.4. Сравнение коэффициента трения покрытий и изнашивания при 240 непрерывном скольжении, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии

6.5. Выбор покрытий 247

6.6. Термодинамический подход к повышению износостойкости 249 литых антифрикционных материалов

6.7. Обоснование подсистем базы данных и информационных связей 252 между подсистемами

6.8. Описание справочников по наименованиям и триботехническим 260 характеристикам

6.9. Диалоговый режим получения информации о триботехнических 262

характеристиках покрытий

Выводы по главе 6 264

Основные результаты и выводы 267

Список литературы 271

Приложение 292

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Д — пьезокоэффициент

А Т - повышение температуры тела

&ср ~~ среднее значение теплопроводности

¡и - коэффициент Пуассона

Рт ~~ средняя плотность вещества, участвующего в массопереносе

тп - прочность на срез адгезионных связей

т0 и (3 - параметры адгезионного взаимодействия, зависящие от температуры, энергии активации вязкого течения, упруго-пластических свойств и других факторов

А — амплитуда сдвига

Ар - среднее значение коэффициента диффузии

Е - модуль упругости материала

/ - коэффициент трения скольжения

/м - молекулярная составляющая коэффициента трения

/д - деформационная составляющая коэффициента трения

/т - среднее значение коэффициента трения

/кол - частота колебаний при фреттинге

Иг - износ, связанный с удалением продуктов изнашивания

(линейный износ), т.е. толщина изношенного слоя, мкм

НИ - микротвердость материала

к — линейная интенсивность износа, т.е. износ, приходящийся на

одно воздействие

Ь\\ — коэффициент сопряженных взаимодействий

те - поток вещества

N - число циклов воздействий, приводящих к износу

рс - контурное давление

рг — давление на контакте

Р — нагрузка Я — газовая постоянная V — скорость скольжения t — время Т — температура тела Укр - скорость химической реакции ИБД ТХМ - информационная база данных по триботехническим характеристикам в машиностроении ИЭП — износостойкие электролитические покрытия КЭП - композиционные электролитические покрытия

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одна из самых острых и сложных проблем современного машиностроения — износ механизмов и машин — предполагает ежегодное увеличение расходов на их восстановление. В связи с этим любое продвижение в ее решении дает комплексный результат - это и повышение энергосбережений, и возрастание показателей надежности изделия, и улучшение функциональных характеристик изделия. Одно из перспективных направлений исследований по трибологии состоит в нанесении электролитических покрытий. Износостойкие покрытия, получаемые электролитическим осаждением, отличаются высоким сопротивлением износу, минимальной склонностью к заеданию, высоким сопротивлением коррозии. Среди электролитических покрытий наибольшее распространение в гальванотехнике получили никелевые покрытия [1-8]. Для получения твердых и износостойких никелевых покрытий электролитическое осаждение никеля осуществляют при введении в электролиты никелирования гипофосфита натрия, в результате чего получаются никель-фосфорные (NiP) покрытия. Для повышения несущей способности покрытий в их состав, как правило, вводят различные упрочняющие добавки (карбиды, бориды и т.д.). Такие покрытия способны выдерживать большие механические нагрузки без изменения своих служебных свойств.

Большой вклад в изучение проблемы трения и изнашивания трибосопряжений внесли отечественные ученые Баранов B.JL, Буше H.A., Буяновский И.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Дроздов Ю.Н., Демкин Н.Б., Захаров С.М., Костецкий Б.И., Крагельский И.В., Колесников В.И., Лужнов Ю.М., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Мышкин Н.К., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущов М.М., Чичинадзе A.B., Шустер Л.Ш. и др.

Трение узлов, имеющих покрытия, рассматривалось в работах Верещаки A.C., Гриба В.В., Куксеновой Л.И., Пичугина В.Ф., Рыбаковой Л.М. и др.

Интерес к электролитическим композиционным никель-фосфорным покрытиям вызван многообещающими данными, полученными по трению и изнашиванию в трибопарах с нанокристаллическими материалами, а также возможностью получать эти покрытия с мелкозернистой структурой электролитическим осаждением. Исследования известных отечественных и зарубежных ученых показали значительное улучшение сопротивлению изнашивания никель-фосфорных покрытий при внедрении в их матрицу карбидов кремния. Однако в этих работах отражены главным образом результаты, характерные для трения скольжения покрытий, а основным способом определения количества упрочняющих добавок остается метод подбора. Практически не изученными остаются триботехнические характеристики фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии никель-фосфорных покрытий. Отсутствует научно-обоснованный подход к объяснению механизма фреттинг-коррозии.

Данная работа направлена на восполнение этого пробела и посвящена изучению процессов трения и изнашивания электролитических никель-фосфорных покрытий с различными термообработкой и количеством упрочняющих добавок карбидов кремния в условиях скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии (с учетом амплитуды и нагрузки). Полученные результаты позволят уточнить механизм изнашивания №Р покрытий в различных условиях трения, повысить эффективность использования электролитических никель-фосфорных покрытий и увеличить износостойкость деталей машин.

Выполнение основных разделов данной работы проходило в рамках гранта на выполнение за счет средств федерального бюджета работ по проекту Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», направление 1.7 (проект № 03-01-10976-3, 2001, 2004), гранта Президента Российской Федерации № МК-940-2004.8 «Молодые кандидаты наук» (2004-2005); грантов Фонда содействия Отечественной науки для выдающихся молодых ученых Российской академии

наук (2004, 2005), гранта РФФИ (проект № 07-08-92001-ННС_а, 2007-2010), гранта NATO Research Fellowship № 1/5 - CVW.D5.771 на проведение научных исследований в лаборатории трибологии Департамента металлургии и металловедения Католического университета г. Левена (Бельгия). Часть работы выполнялась в рамках официального приглашения в Центре трибологии и диагностики университета г. Любляны (Словения) и в научно-исследовательской лаборатории DAC компании LG Electronics в г. Чангвоне (Южная Корея).

Цель работы. Установление закономерностей влияния упрочняющих добавок карбидов кремния и термообработки на триботехнические характеристики никель-фосфорных покрытий в условиях трения непрерывного скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии и на этой основе улучшение их служебных свойств и качества работы ответственных деталей машин.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить термодинамические аспекты структурно-фазовой адаптации поверхностей трения износостойких электролитических покрытий (ИЭП) и ее влияние на коэффициент трения и процесс изнашивания.

2. Разработать методологию комплексной оценки влияния различных условий трения (скольжения, фреттинг-изнашивания, фреттинг-коррозии) на триботехнические характеристики ИЭП.

3. Исследовать влияние термообработки и концентрации добавок карбидов кремния (SiC) на коэффициент трения и изнашивание NiP покрытий при трении скольжения, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии (с учетом изменяющихся нагрузки и амплитуды колебаний).

4. Выполнить металлографические исследования и химический анализ поверхностей трения NiP покрытий, а также продуктов износа на различных стадиях изнашивания при скольжении, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии.

5. Уточнить механизм изнашивания ИЭП в различных условиях трения и на этой основе разработать принципы выбора термической обработки и концентрации твердых добавок карбидов кремния в №Р покрытиях, обеспечивающих повышение их износостойкости.

6. Разработать информационную базу данных по триботехническим характеристикам износостойких покрытий, в том числе электролитических N1? покрытий, для решения конкретных конструкторско-технологических задач.

7. Разработать практические рекомендации по повышению износостойкости изделий с №Р покрытиями и осуществить опытно-промышленную апробацию этих рекомендаций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определены условия потери термодинамической устойчивости трибосистемы с ИЭП и ее адаптации с уменьшением интенсивности изнашивания подвижного фрикционного контакта;

- выявлены химические составы вторичных структур, их распределение и развитие в приповерхностных слоях фрикционного контакта при скольжении, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии электролитических №Р покрытий;

- установлено влияние условий трения на изменение механизма изнашивания покрытий с твердыми добавками и на этой основе разработаны научные принципы выбора термообработки и концентрации добавок, обеспечивающих повышение износостойкости покрытий;

- представлено научное обоснование методологии комплексной оценки триботехнических характеристик покрытий в различных условиях трения скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии;

установлены зависимости триботехнических характеристик и интенсивности изнашивания электролитических №Р покрытий от наличия в них твердых добавок БЮ и их концентрации, а также от термообработки и условий трения (скольжение, фреттинг-изнашивание, фреттинг-коррозия при различных нагрузках и амплитудах сдвига);

- показано, что термообработка и твердые добавки с одной стороны, как упрочняющие факторы уменьшают изнашивание №Р покрытий, а с другой стороны, как факторы, повышающие структурную неоднородность поверхностей трения, интенсифицируют изнашивание электролитических №Р покрытий; минимум изнашивания достигается при определенных сочетаниях нагрузки и амплитуды сдвига;

- определяющую роль при фреттинг-коррозии №Р покрытий играет механическая составляющая изнашивания, а степень влияния химической составляющей зависит от сочетания нагрузки и амплитуды сдвига.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Разработанная методология исследования и определения триботехнических параметров электролитических N1? покрытий, позволяющая сопоставлять, анализировать и обобщать результаты, полученные в различных условиях трения скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии.

2. Способ определения концентрации упрочняющих добавок в износостойкие №Р покрытия, обеспечивающий их минимальное изнашивание (патент № ).

3. Информационная база данных по триботехническим характеристикам электролитических №Р покрытий, позволяющая оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать расчеты при конструировании трибосопряжений.

4. Установленные зависимости коэффициента трения и интенсивности изнашивания электролитических №Р покрытий от различных условий трения позволяют прогнозировать их износостойкость уже на стадии конструирования трибосопряжений (с учетом технологии изготовления деталей этих трибосопряжений и режима их эксплуатации).

5. Рекомендации по разработке, оптимизации состава и термообработке электролитических №Р покрытий, обеспечивающих высокую износостойкость деталей при эксплуатации в различных условиях трения.

Основные научные положения и результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту:

- условия потери термодинамической устойчивости трибосистемы с ИЭП и ее адаптации с уменьшением интенсивности изнашивания подвижного фрикционного контакта, обеспечивающие возможность определения концентрации упрочняющих добавок, оптимальной по износостойкости покрытий;

- закономерности изменения химического состава вторичных структур, их распределения и развития в приповерхностных слоях МР покрытий при трении скольжения, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии, обеспечивающих их защитные функции в трибосопряжениях;

обоснование изменения механизма изнашивания покрытий в зависимости от изменяющихся условий трения, позволившее разработать принципы выбора термообработки и концентрации упрочняющих добавок, обеспечивающих повышение износо�