автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и адгезнионные свойства никотрированных теплостойких сталей при эксплуатации в режиме ресурсного смазывания

С?? ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

' I/

о

На правах рукописи

I

ИАЛЕНКО ПАВЕЛ ИГОРЕВИЧ

УДК 621.81.12

СТРУКТУРА И АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА 1ШК0ТРИР0ВАННЫХ ТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В РЕММс РЕСУРСНОГО СМАЗЫВАНИЯ

Специальность 05.16.01-Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

Тула - 1933

Работа риполненц в Тульском государственно;! университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Власов В.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Колачев Б.Л.

Ведущая организация - Филиал УП КЬ'К-ЦККБ СОО, г. Тула

Зщцита состоится 21 апреля 1998 года в 14.00 час. на заседании диссертационного совета К.063.47.02 при Тульском государственном университете (300600, г. Тула, пр. Ленина,92) С диссертацией (южно ознакомиться в библиотеке Тульского ■государственного университета.

Автореферат разослан 20 нарта 1990 г.

Ученый секретарь

кандидат технических иаук Шатилин В. В.

диссертационного совета

№

И. А.Гоичаренм,

ОЕ'-УШ "ЛРЛКТЕ РПСТНКА -1'.'У 1:!

Актуальность проблемы

Условия эксплуатации машш специального назначения, для которых характер:«* ударшк иагрузки и газовая эрозия при трении скольжения, предопределяют выбор базовых теплостойких сталей и методы упрочняющих технологий при их изготовлении. В связи с этим для данной отрасли нашла промышленное применение оптимальная для условий трения без смазочного материала марка теплостойкой стали 25ХЗМЗНБЦА, а также метод низкотемпературного термодиффузионного ее упрочнения путем никотрирования.

Многие узлы И механизмы автоматики специальных технологических машин работают в режиме ресурсного оказывания, то есть при одноразовом смазывании на ресурс детали перед началом эксплуатации. В процеосе выработки ресурса защитная роль смазочного материала снижается. На поверхности трения образуются вторичные структуры различного химического состава. Их трансформация может приводить к внезапным отказам механизмов вследствие протекания процессов заедания.

При хрении с граничной смазкой с течением времени наступает' некоторый латецтнын период, когда негативное изменение адгезионных свойств структур на поверхности трения приводит к локальным никросхватыванцям на отдельных участках. Последние предопределяют когезионные вырывы поверхностного слоя материала, приводящие в последующе!! к внезапным лавинообразным проявлениям заедания. Как показьтает опыт эксплуатации в зависимости от режимов нагруяения узла период времени от начала процесса схватывания до заедания может быть весьма кратковременным.

Механизмы подобных явлений проанализированы недостаточно, а для никотрироранных покрытий на теплостойких сталях не изучались вообще. Это не позволяет осуществлять диагностику и прогнозирование состояния поверхностей трения деталей узлов и решать многие' вопросы их работоспособности на материаловедческом уровне.

С другой стороны, учитывая латентность, локальность и скоротечность рассматриваемых процессов поверхностной повреждаемости, необходимо разрабатывать соответствующий экспрессный метод диагностики, способный регистрировать и идентифицировать на микроуровне- процессы взаимодействия трущихся материалов с учетом изменений в строении их поверхностных слоев. В качестве подобной мето-

дики для анализа адгезионных свойств шкотрированных покрытий, механизмов и кинетики .их изменений в настоящей диссертационной работе использован метод акустической эмиссии (АЗ).

В связи с вышесказанным установление закономерностей изменения фазового состава- вторичных поверхностны?; структур и их взаимосвязи с адгезионными свойствами никотрированных покрытий на теплостойких сталях-при эксплуатации в режиме ресурсного смазывания даст возможность обосновать рекомендации по диагностике и прогнозированию работоспособного состояния этих покрытий для различной номенклатуры деталей из теплостойких сталей для специальных технологических машин.

Автор защищает: •

- установленные критические температурные интервалы фазовых переходов во вторичных структурах никотрированных покрытий,-работающих при трении в реягиме ресурсного смазывания;.

ч - закономерности влияния температуры на изменения фазового состава вторичных структур никотрированных сталей в условиях эксплуатации в режиме,ресурсного смазывания;"

- спектральную модель АЗ, позволяющую на основе данных о шероховатости поверхностен трения и условий нагружения определять энергетические' показатели АЭ для отдельного' локального контакта на поверхности трения; ' -

- методологические основы определения адгезионного критерия в форме локального коэффициента трения Гтрло*. базирующиеся на совместном анализе экспериментальных акустических спектров и спектральной модели АЭ;

- эмпирические зависимости, устанавливающие связь адгезионного критерия Г1рлок с типами и объемным содержанием вторичных фаз в поверхностном никотрированном слое при трении в условиях ресурсного смазкващм.

Цель работа: исследование .гёщетшг Фазовых презращениЯ во вторичных структурах никотрированных покрытий при трении скольжения' в решше ресурсного сыазыззиия и разработка на этой осио?е • критерия для оценки их адгезионных свойств.

Для изучения вторичных структур, их фазового состава, анапи-

за химического состава вторичных структур с целью идентификации окислов н химических элементов на никотрированных покрытиях применяли металлографический, рентгеноструктурный, электронномикрос-копичесюш и микрорентгеноспектральный анализы. Дюрометрический метод использовали для исследования микротвердости на поверхности трущихся покрытии и по их глубине, оценку средних температур в поверхностных слоях осуществляли с помощью микротермопар. Микроструктурные исследования выполняли на' оптических микроскопах МИМ-8 и Neophot-21. Рентгеноструктурный анализ осуществляли с помощью дифрактометра ДРОН-2. Электронномпкроскопический анализ проводили с ' помощью трансмиссионного электронного микроскопа УМВ-ЮОЛ. Для микрорентгеноспектрального анализа использовали рентгеновский микроанализатор МАР-1А. Измерения мнкротвердости проводили на приборе ПМТ-З. . Статистическую обработку экспериментальных результатов выполняли в соответствии с ГОСТ 8.207-76. Определение характеристик иикрогеометрии и равновесной шероховатости поверхности трения осуществляли посредством снятия профилог-рамм на профилографе-профилометре Калибр-201. Для определения локального коэффициента трения использовали разработанную установку и метод одновременного измерения триботехнических характеристик и акустических сигналов в процессе трения.

Научная новизна;

- установлены основные типы фаз и кинетическая последова-. тельность фазовых превращений во вторичных структурах никотрированных покрытий при трении в условиях ресурсного смазывания, учитывающая температуру разогрева трущихся поверхностных слоев и химический состаЁ окружающей среды;

- разработана, теоретически и экспериментально обоснована акустоэмиссионная методика анализа фазового состава вторичных структур по оксидам, силицидам и фосфидам, а также локальных адгезионных свойств трущихся никотрированных покрытий в режиме ресурсного смазывания; ° .

- разгаботан критерий для количественной оценки локальных адгезиокних свойств трущихся никотрированных покрытий и обоснованы эмпирические уравнения 4Ля его определения в зависимости от соотношения основных фаз во вторичных структурах поверхностных никотрированных слоев. '

Практическая ценность и реализация результатов:

- разработана методика оценки локальных адгезионных свойств в связи с фазовым- составом вторичных структур'в поверхностных слоях трущихся никотрнрованных покрытий;

- разработана экспериментальная акустическая установка, позволяющая с большой точностью измерять амплитудно-частотный спектр АЭ и получать достоверную информацию для"расчета параметров АЭ;

- разработанная методика оценки адгезионных свойств материалов при их эксплуатации в режиме ресурсного смазывания и диагностики структурного состояния никотрированних покрытии в процессе трения внедрена в филиале УП КБП-ЦКИБ С00, г. Тула в составе испытательного комплекса по исследованию свойств материалов (Акт от 10 марта 1998 г.), а также используется в ТВАИУ. г. Тула в лабораторном комплексе по исследованию эксплуатационных характеристик материалов, применяемых для изготовления деталей стрелково-Пушеч-ного вооружения (Акт от 12 марта 1998 г.).

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на XXXI-XXXV . научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (Тула, 1995-1998 г.г.); IX Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тула, 1997 г.); Всероссийской молодежной научной конференции "XXIII Гагаринские чтения" (Москва, 1997 г.); Международной научно-технической конференции "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1997 г.). .

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

■ Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, включающегс 144 наименования. Работа изложена на 188 страницах машинописное текста и содержит 97 рисунков, 34 таблицы. ■

.'2. ОС'-З^П^Е {.'О^ЕРЯЛШК ЯПСС':;'5*:'/'

Во введении обоснована актуальность те:я! диссертации, определена Цель исследования и перечислены основные» результаты рабо-тн. составляющие ее иаутуя новизну'й практическую значимое!ь.

Анализ литературных источников позволяет заключить, что существуют некоторые представления о закономерностях образования вторичных структур металлических сплапсв при трении с граничной смазкой. В результате деформации поверхностных слоев в условиях повышенных температур в микроконтактных объемах трущихся материалов реализуются процессы высокоскоростной диффузии химических элементов из глубинных слоев к поверхности трения. Это способствует образованию так называемых вторичных структур на основе взаимодействия Этих элементов о ингредиентами смазки. При этом подчеркивается особая роль кислорода а процессах: • формирования оксидных фаз во вторичных структурах, а также образования ненасыщенных растворов этого элемента и эвтектики окислов на базе основного металла.

Показано, что из Других химических элементов наибольшее влияние на процесс струкгурообраэовашш оказывают сера, углерод и кремний. Сера способствует образованию прочных пассивирующих поверхностных пленок, предотвращающих металлический контакт; углерод ускоряет диффузия серы к поверхности трения, а кремнии снижает адгезии за счет формирования-собственных Фаз.

Вместе с тем остается открытым вопрос о кинетике фазовых переходов во вторичных структурах в зависимости от температуры, что не дает зозкогностя проводить'комплексную сценку свойств поверхностных олоев, необходимую при решении инженерных задач. В частности, это относится к возможности оценки адгезионных свойств материалов И' покрытий, предназначенных для узлов трения скользения.

В проанализированных источниках приводятся только качественные оценки по влиянию химических элементов на свойство адгезии. К примеру, указывается, что кремний и сера снижают 'адгезионные эффекты. а хром, никель наоборот их'увеличивают. Коэффициент адге зии, как' мера оценки противозадиркнх свойств материалов, определяется - экспериментально и причем в модельной форме применительно к идеальным очишенным поверхностям в вакууме. На практике вторичные структуры играют более значительную экранирующую роль при тгеич. причем адгезионные характеристики материалов должны учи:

тываться на локальном уровне. До настоящего времени кроме того вообще отсутствуют корректные методики и критериальные оценки этих свойств.

В свою очередь невозможность оценить локальные адгезионные свойства вторичных структур не позволяет определить условия, . при которых проявляются щкроэффекты схватывания трущихся поверхностей, приводящие затем в макромасштабе к заеданию.

, Для оценки адгезионных свойств локальных поверхностных микрообъемов р диссертационной работе предлагается использовать метод АЭ. Анализ литературных данных по применению метода АЭ для решения трибологических задач показал, что до сих пор в основном исследовалась адекватность параметров АЭ и трибологических факторов,' например, коэффициента трения для различных режимов нагруже-ния и материалов, Применительно же к решению важных металловедческих задач, в частности, анализу фазового состава вторичных структур и определению их адгезионных свойств метсд АЭ не разработан.' Это относится и к никотрированным покрытиям на теплостойких сталях при их эксплуатации в 'режиме ресурсного смазывания. Анализ литературных данных по проблеме, цедь работы и ее практическая направленность предопределили решение следующих задач:

4 1. Исследовать фазовый состав вторичных структур титрированных покрытий на теплостойких сталях при их эксплуатации в режиме ресурсного смазывания в различных температурных интерзалах' нагрева поверхностного слоя. ■ 1

2. разработать методику локальной оценки адгезионных свойств рторичннх структур, формующиеся на основе ннкотрнроваяных- покрытий." с использованием метода АЭ.

3. Экспериментально ¡1 теоретически обосновать адгезионный параметр в форме локального коэффициента трения, и, использовать его в качестве критериальной оценки адгезионных свойств зторич-' ных структур на нккотрироБанккх покрытиях. .

4. Установить количественные соотношения фазового состава . вторичных, структур на нцкстрироващшх покрытиях с их локальными адгезионными свойствами. . '.;.'•

В качестве материала для исследований -была использована теплостойкая сталь марки 25ХЗМЗНБЦД с нанесенным на нее никотрированным покрытием. Процесс проводили при следующих технологических режимах; температура насыщения - 680°С, время выдержки - 8 часов, состав насыщающей смеси (амкиак/эндогаз) - 70/30. В рамках реше-

пня научных задач кафедры ФЯИ установлено, что при этих режимах эксплуатационные свойства никотрированнси стали будут оптимальными и, в том числе, применительно к деталям стрелкево-пушечного вооружения, эксплуатирующихся в режиме ресурсного смазывания. Использование в работе различных структурных И физических методов исследования позволило провести комплексный анализ фазового состава вторичных структур на шщотрировавдшх покрытиях, а также их технологических и эксплуатационных свойств,

Металлографический анализ использовали для изучения вторичных структур па схеме "косого" шлифа на металлографических микроскопах МИМ-8 н [-¡оерЬй^! в Диапазоне увеличения 200.,.2000 крат.

Метод дюрометрического анализа применяли для анализа микротвердости .на поверхности трущихся покрытий и ее распределения по глубине. Для измерения микротвердости применяли прибор ПМТ-3 с нагрузкой 100 грамм. Измерения проводили согласно ГОСТ 9460-76 на ортогональных и косых поперечных шлифах.

Метод рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-2 использовали в послойном и поверхностной вариантах для получения качественной и количественной информации о фазовом ' составе вторичных структур. Фазовый состав вторичных структур оценивали безэталонным методом гомологических пар. По дефектограмме. снятой в нефильтрованном РеКв-Излучении, отбирали подобные пары и далее по гомологическим таблицам интерференционных линий определяли количество фаз с поверхности и По глубине слоя фаз в исходном состой-' нии после нйкотрировагш я в процессе трения.

Для анализа химического состава вторичных структур с целью идентификации'окислов и химических элементов использовали микро-рентгеноспектральный анализ. Для исследования Применяли рентгеновский микроанализатор МАР-1А. Качественный анализ заключался в определении количества и типа элементов, находящихся в исследуемой локальной зоне на поверхности образца. Отнесение линий рентгеновского спектра к соответствующим элементам проводили по специальным таблицам. ■ • .'

Метод электронномикроскопического анализа поверхности трения на репликах Применяли для исследования механизмов зарождения и развития повреждаемости на поверхности никотрироьанннх покрытий. Исследования проводили на трансмиссионном: электронном микроскопе УМВ-100Л при ускоряющем напряжении 75 кВ.

Для оценки средник температур в поверхностных слоях никотри-рованного слоя применяли хромель-капалзвые и хромель-алюмелебые микротермопары диаметром 0,15 лм. Последние заЧеканивались в неподвижном ииденторе на расстоянии 0,5 мм от поверхности трения. Для записи температурного режима трения использовали потенциометр КСП-4. "

Определение характеристик микрогеоцетрии поверхности тренля осуществляли с помощью профилографа - профилометра Калибр-201 для исходной и равновесной шероховатости, достигаемой в результате приработки образцов. Длины площадок контактов мнкронеровноетей определялись По линии, нанесенной на профилограмйу равновесной шероховатости, параллельно средней линии профиля поверхности. Положение этой линии определялось глубиной внедрения контактирующих поверхностей, рассчитываемой по аналитическим зависимостям.

Для оценки локальных адгезионных свойств викотрированных покрытий использовался метод АЗ. Для этих целей была- спроектирована и изготовлена экспериментальная уашна трения, работающая по схеме "штифт-диск". При этом втнфт-индентор и диск-контртело имели однотипные нлкотрировашше покрытия.' .

Установка дозволяет посредством специального качающегося устройства одновременно 'измерять силу трени:. и акустические сиг. налы с поверхности трения. Испытания проводили в условиях ресурсного смазывания путем однократного смазывания трущихся поверхностей тонким слоем смазки специального состава. Контактные нагрузки бк изменяли в диапазоне от 0,5 до 10 МПа, а скорость скольжения бесступенчато варьировалась от 0,5 до 10 м/с.

Для определения акустических характеристик ' задействовали систему специализированных блоков фирш-"Бровь ¡г Къер" (Дания) в' частотном диапазоне от 256 Гц'до 51,2 кГц с точностью измерений' 41, 5%. В качестве ■ датчика сигналов использовался акселерометр. Система позволяет работать как-в режиме реального времени, так и с применением измерительного магнитофона. В первом случае сигналы после усиления передаются' на- спектроанализатор с последующей выдачей информации на графопостроитель, во втором же записанные сигналы анализируются посредством спектроанализатора в любой удобный момент времени.

В качестве выходной информации принимали спектральные разложения энергетических характеристик АЭ: среднеквадратические амплитуды Аср кв_ к акустические энергии Е3. Оценку адгезионных

свойств покрытий производили путем сравнительного анализа экспериментальных' спектральных разложений и расчетных спектров, определенных по разработанной в диссертации методике.

Исходной базой такой спектральной методики является анализ возможных источников АЭ при трении шероховатых поверхностей и определение на его основе амплитудно-частотных характеристик АЭ. В работе показано, что в качестве источника АЭ может быть принят тангенциальный удар- со скольжением микровыступов шероховатой поверхности при трении, . так как при скоростях скольжения 9СК>0,5 м/с скорости деформаций материалов микровыступов сопоставимы со скоростями деформаций материалов при ударе.

При соударении единичных микронеровностей в микрообъемах возникают динамические контактные напряжения, определяемые силой трения. В свою очередь контактные напряжения инициируют в кристалле изгибные акустические волны. Установлено, что их частота Г и энергия Ея определяются согласно зависимостям

1 &ск

Г ~ — * - * 103. кГц (1)

а, к,

Еа » 0,316*10-8*М*«ск*(}у3*ГТр, эрг (2)

где йу - длина площадки контакта на единичной микронеровности; К) - коэффициент упругого восстановления формы микронеровпос-тей при тангенциальном ударе; Н - нормальная нагрузка; гтр - ко эффициент трения. Установлено, что соотношение 9ск/К, неизменно для заданной скорости Зск, а, следовательно,• частота Г определяется только значениями

Решена методическая задача отделения необходимых для анализа изгибных акустических волн от продольных,- поперечных и других видов. волн с помощью соответствующего конструктивного оформления приемо-передающего устройства экспериментальной установки, включающего в себя трущийся индентор и датчик.

В условиях трения шероховатых поверхностей реально имеет место множественный контакт различных по размерам микровмступсв, что и предопределяет .рассеивание значений частот Г и энергий ЕГ1 4 изгибных колебаний. В результате статистической обработки Соль'лс-- го -числа профилограим поверхностей никотрирсванных пс крытий

равновесной шероховатостью для различных значений нормальных нагрузок N обоснована возможность использования в качестве закона распределения длин <1у распределения Фреше и определены его статистические характеристики. С учетом же функциональных связей (1) и (2) между частотами Г, энергией Еа и длинами обоснованы законы распределения Г и Еа:

где а - коэффициент ассдаетрии, зависящий от класса шероховатости (СН...5); р и а - масштабные коэффициенты соответственно по осям частот Г и длин В= О, 316*10"в*Н*!ск*ГТр..

Зависимости (3) и (4) позволяют осуществлять настройку акустической аппаратуры перед проведением триботехнических экспериментов. В частности, для 7-го класса шероховатости получены, следующие границы колебаний параметров акустических сигналов: для частот Д1М. ..30 кГц, для энергий 'ЛЕа=0Д... 16ёг. для амплитуд ДАср.кв, =0-3.%^, где g - колебательные ускорения датчика-акселерометра. В результате спектрального анализа были получены нормированные спектральные разложения Э^уШ. дгаш площадок контактов с1у для ■ различных классов равновесной шероховатости, пре; давленные в диссертационной работе в табличной форме. Сопоставляя затем значения механической л акустической энергий на отдельном локальном контакте и учитывая спектральное разложение З^.Ш, можно рассчитывать спектральные разложения энергетических характеристик АЗ --4-ср.кв. 11 Еа по следующим зависимостям:

а-1

а

Р

- распределение Вейбулла, (3)

(4)

5Д (Г) И

- 1,11Ч0-г*Г*|/ Н*£>с^тр*йуРр • КЕ • * ^уП"),

15)

3ЕаШ = 1.22«10-4*Г2*Ы*аск*Гтр*(ЗусРкв-*[3(3у(Шг. (6)

где (3,,ср-кв-= 27...84 мкн - среднеквадратическое значение длин площадок контакта для различных классов равновесной шероховатости; ^р - измеряемый при проведении акустических экспериментов эффективный коэффициент трения.

Зависимости (5) и (6) служат методической базой для проведения сравнительного анализа расчетных и экспериментальных акустических спектров с целью получения локальных оценок адгезионных свойств материалов.

Проведенные триботехнические эксперименты на настроенном с использованием зависимостей . (3) и (4) акустическом оборудовании позволили получить обобщенные уравнения, отражающие общий характер изменения акустических сигналов й эффективного коэффициента трения гтр=т|1и). Анализ полученных функций показал синхронность их изменения во времени, что свидетельствует об адекватности отражения выбранными акустическими сигналами структурных изменений на трущихся поверхностях в зоне фрикционных контактов.

Вместе с тем изменение фазового состава вторичных струкг'р обусловливает изменение локальных адгезионных свойств материалов. Постепенное накопление подобных изменений в поверхностных структурах приводит в последующем к лавинообразным проявлениям схватывания и когезин. Высказанные соображения подтверждаются характером спектральных разложений акустических сигналов. 'На рис.1 представлены экспериментальный спектр, а также расчетная 'спектральная характеристика, определяемая по зависимости (5). В качестве коэффициента трения используется измеренное при проведении акустического эксперимента эффективное значение Гтризм. Сравнительный анализ спектров показывает их совпадение в пределах допустимых ошибок в низкочастотной от 3 до 10 кГц области. Это обстоятельство свидетельствует о том, что значения ' коэффициента Гтризм .в основном определяются процессами, проходящими на больших по размеру контактных площадках которые и. соответствуют'более низким частотам. В'диапазоне частот от 12 до 24 кГц, то есть на небольших Фрикционных контактах, значения амплитуд экспериментальных ' и расчетных спектров значительно отличаются. Это однозначно свидетельствует о колебаниях локальных адгезионных'характеристик .исследуемых иикотрироешмых покрытий.

Для оценки степени нестппионарности локальных ".лгезирнинл

свойств предлагается следующий параметр

{ лок _ ,'тр

* Э К С П . дср . кр._

а расы,

"ср.«в.

* ^ ' изм

* 1 тр

где АСр кв эксп:

И

Аср.кц.расч'_ соответственно спектральные

амплитуды акустических сигналов для одинаковых частот экспериментального и расчетного спектров; Гтрлок - коэффициент трения на единичной площадке, нормирующий ее локальные адгезионные свойства. ' • Определенные согласно зависимости (7) максимальные значения Гтрло* для различных условий эксплуатации никотрированных покры-

тий представлены в габл.1.

Таблица 1

Максимальные значения локального адгезионного критерия

г *" " 1 хр

)ГТПЛСК для различных режимов трения никотрированкых

Покрытий

Скорость скольжения «ск,М/с Контактные нагрузки бк ,МПа

1 2 3 4 ' , 5 6 7

1 0.17 0.48 0.87 0.93 ' 1,06 0.71 0,58

2 0.19 6,10 2,80 0.92 0,74 о; 63 0,60

3 0. 70 2,40 2.06 1.40 0,68 - ■ - •

4 0, 64 "1,21 1.10 0,70 0, 76 - -

5 0.57 0,60 0,68 0,60 ■ - -

Полученные результаты позволяют утверждать, . что измеренный коэффициент трения ^р"3'1 не. может служить мерой адгезионных свойств материалов,- ■ так как не учитывает локального характера их проявления и значительно отличается по величине.

С другой стороны, разработанная методика определения Гтрлок позволяет осуществлять диагностику состояния поверхности трения: Для этих целей необходимо проводить сравнительный анализ экспериментального и расчетного спектров, определяя при этом по зависи-

моста (7) значения Гтрлок. Полученные значения Гтрлок сравниваются затем с экспериментально обоснованными критическими значениями ^р, нормирующими для никотрированных покрытий начало трения без смазочного материала (Гтр = 0,15...0.20), начало схватывания ({тр=0,7..,1,1) и начало процессов формирования когезионных выры-вов (Гтр=1. 4. . .2.4).

Проведенные.триботехнические эксперименты показали, что предлагаемый адгезионный критерий Стрлок определяется фазовым составом вторичных структур, формирующихся в исследуемых микроконтактных областях.Вторичные структуры анализировали с учетом обобщенного температурного критерия 8=бк°•7*ЯСК°•4. отражающего среднюю температуру на поверхности трения Тиэм, в срединной точке г кинетической кривой для критерия Гтрлок(рис.2). Согласно полученным данным в точке ткр начинается и в точке ткр' завершается формирование вторичных структур. В табл. 2 представлены полученные значения критических временных и температурных 'характеристик этой кинетической зоны формирования вторичных структур для девяти режимов трения никотрированных покрытий в режиме ресурсного смазывания. *

Таблица 2

Критические температурные ц временные характеристики зоны образования вторичных структур кинетической Кривой на рис. 2

Критерий 8 Температура,°С' Время,с

тКР Т ' 1 кр т * 1кр

1.6 55 140 510 1200

2.1 85 210 260 550

2,4 100 250 140 320

3.1 135 340 40 100

3,4 150 380 25 65

4, 1 190 480 15 35

4,6 215- 540 10 24

4.8. 230 570 ~5 -20

5. 1 260 610 <5 -16

Рис.1. Пример спектральных разложений акустических сигналов Аср.кв.при ,трении никотрироваднык сталей: 1) экспериментальный спектр! 2) расчетный спектр

Рис.;-'. Характер кинетической кривой для адгезионного критерия Гтр'пйк при трении никотрировалных сталей'в режиме ресурсного смазывания.

В структуре микроконтактных объемов трущихся в течение т„зм образцов в зависимости от температуры ТИЗ|;| были выявлены следующие фазы: исходные: а-фаза й нитридные е(Ге3И) и ^'(Ге4Н); и вторичные: окислы магнетит (Ре304) и гематит (Ге203 ), сульфиды железа и молибдена (ГеЗг и МоБ2), силициды ¡келеза и молибдена (ГеБ! и Мо310>65) а также фосфид железа (Ге2Р). При этом соотношение указанных фаз оказалось различным в температурных областях Тнзм-фактора (рис. 3).

Формирование силицидных, сульфидных и фосфидной фаз происходит на' базе тех химических ингредиентов (соответственно Б!, Б и Р), которые находятся в использованном смазочном материале. В то же время донором для ' Металлической основы этих фаз являются в первую очередь а-железо и у'-нитрид железа.

Все выявленные фазы были условно распределены на две группы: так называемые "определяющие" и "локалЬнне" в зависимости от'Постоянства или временности их нахождения во вторичных структурах по мере возрастания температуры Тч 3м • а также их вклада в адгезионную характеристику Ггряок (табл. 3).

Таблица 3

Относительное процентное содержание фаз во- вторичных структурах о различных температурных областях трения никотрированной стали

Измеряемая температура Тизч. С "Определяющие" ■фазы ' ■ 'Локальные фазы Сумма Фаз

Ио81в.в5 РеЭг Гег03 Ре51 МоБг Ге2Р

140 6,5 8,0 3.0 - - - - 17,5

200 14,5 20,0 12.0 - 1.5 - - 48,0

240 8.0 14,5 26,5 - 6,5 7. 0 1,5 62,5

300 '6,0 5, 0 18.5 2,5 14,5 10,5 5, 0 55.0

340 20,0 5,0 11.0 11,0 13, 5 2, 5 3, 0 71,0

400 36.5 13,5 8,0 Ш. 5 И, 0 - 8, 0 95,0

450 37.5 £0, .0 6.5 24, 0 4, 0 - 8, 0 ' 100,0

470 16.0 16,0 6.5 16,0 2-, 5 - 8, 0 65,0.

500 12.0 10,0 6.5 12, 0 - - ■3, 0 49,0

Нилхогем/гератулкая I CpeiMere^/te^ary^aff^ jSi/caAroresf/ie.

CujuiifudMCiff и ci^¡видная Jnyxwi/e 9>аз*/:

¿Toput/fuie <рссз1с сшичудная и a>всаа&наЯ: ■ « « ■ te<fi-f>«s.ii -----

/00

зео

SA7

Рис.

Э. Характер изменения относителького количества вторичных фаз Jр-на поверхности трущихся шкотрированных сталей в зависимости от средней температуры Тизм-

Среднеге/уде-

m

МО

Ш

SCO Т~иЗЧ;\

I -ис

4. Диаграмма соответствия адгезионного критерия ГТрЛ0К, коэффициента трения ¡Гтриэм и фазового состава вторичных структур в-различных температурных областях трения.

На рис.4 представлена диаграмма соответствия изменения адгезионного критерия Гтрлок и фазового состава вторичных структур в различных температурных зонах образования вторичных структур. ^В низкотемпературной области (Т113Ы<240°С) структуру поверхности трения определяют не только исходные (a-Fe, Fe3N и Fe4H), но и вторичные фазы (Fe304, FeS2, MoSiOS5; FeSl). Такой структурной композиции соответствует среднее значение адгезионного критерия [трлок=0,09. -Среднетемпературную область (ТИЗИ<400°С> возможно охарактеризовать средним значением адгезионного показателя ГТрлок=0,46. Данное значение предопределяется формированием двух новых фаз Fe203 и Fe2P, первая из которых является наименее антифрикционной. В высокотемпературной области, характеризующейся средним.значением Гтрлок=»0.36, сохраняются фазы FeS2, HoSl0i6S, и Fe2P при значительном уменьшении содержания оксидной фазы Fe203.

Как видно из рис.5.а кривые изменения суммарного содержания (1рЕсех трех "определяющих" фаз (MoSl0-6g. FeS2 , и Fe304) имеют два характерных максимума в диапазонах температур ~ (200... 250° С) и (400.... 450°С) соответственно. Ход кривых - Тнэн" и температурного положения фазовых пиков весьма хорошо совпадают с обобщённой "двухмаксимумной" кривой для адгезионного параметра Г1рлок, приведенной на рис.4'.

К "локальным" фазам относятся: FeSí (проявляется при 300...350°С); MoS2 ( при ~300°С); FeS2 (при ~450°С); и FezP (образующийся при условии Тизм>(300...350°С) (рис.5.б). Кроме фазы Fe203 другие ."локальные" химические соединения по температуре не совпадают с фазовыми максимумами на рис.5.а. ' ' ' .

Сопоставление "двухмаксимумной" кривой для адгезионного Гтрло"-параметра с суммарными характеристиками для "определяющих" MoSi'0 # в 5, FeS2 и Ре30^-фаз показывает (рис. 6. а, б), что они имеет весьма показательную синхронность в изменении. Причем фазовая кривая (MoSlggs + FeS2) лучше "копирует" форму высокотемпературного для Гтрлок пика (рис.6.а), в то время как кривая (MoSi0j65 + FeSg + Fe304 ) достаточно хорошо соответствует форме обеих максимумов для ftp-"0" (рис.6, б).

Показано, .что низкотемпературный . ''всплеск" Гтрлок Т-200...250°С) обусловлен утолщением слоя вторичных структур на базе всех трех "определяющих" фаз (MoSl0:>6S»13S; FeS2=20%; Fe304~12%). На данную взаимосвязь свойств адгезии вторичных структур и их фазового состава дополнительно сказывается- то обе-

-•¿о-

® С/

^Дф./Ъ

' 50

т

.ли.

„ОпрйШшше*^!1

л—^ - Л

у

У

¿г 0"

/

V

«Л

А, ,

_ :__' Л

/

/

ш

т

•ч1'

ттттязт т тт,°с т

40

т го

|

1 ю

Аоктшт* гршаи о—о-Г-йгРр а—- £|

р—Я -

- 1Л0 3«

/

¿1 л/.?

■—-.V

, л.

/

\

V

X

/Ч

V

ь.

ч

N

тШбшт^Шт а\О О Ш

Рис.5. Относительное содержание "определяющих" Ев.©.° и "локальных" Бв.ф.л -фаз в различных температурных областях тоения.

90

о/ .■?■>/0 ■

70 ■

60

40 ■

40

J0 -

20 Y0 'л 4

дГлГЖ

û-д - (m ГзЗг)-"азы

i") h! со то m з нп е pa m i/o • / -<1

Г.Ц с .

\ V

V

к

а)

ч

ÍS

- :

.1 mp

1,0

0,9 О,В 0.7 0,6 0,7 ,

Q4"

о,з.

Ш

m ira яягягэд? toa -m ajo тиз„,*с

.r—^.-fí.:^

frío +

- «язы

/?<?' гга m зсп m m m '¡m tusmJ'o

Рис. û, Температурные крлене для рд^егкоинсго критерия ГТрЛС!' п сумчаоного созердаяия "определявших" фаз Ев,ф.° в . области;; высокотемпературного (а) и ннгкотемператур-кого (б) ПИКОЙ.

тоятельство.' что в данной' температурном диапазоне отсутствуют "локальные" Ре31, 11оЗг П Ге^Р-фззЫ.

Высокотемпературный "всплеск" параметра Гтрлок-. (при Т=400... 450°С) определяется возрастанием содержания только двух {ИоБ^.бв^ЗТ^ к фаз На фоне начинающегося снижения объ-

ема магнетита Ге304 и дополнительного образования оксида ГеЕ03 из магнетита Ге304. Причем оксид Ге203 («23Я) обладает максимальной из оксидных соединений микротвердостью и фрикциойностыо,. Кроме того на высокотемпературной стадии полностью отсутствует антифрикционная сульфидная МоЗЕ-фаза и "слабо" проявляется силицидная фаза ГеБ1. С другой стороны мощность адгезионного пика "гасится" формированием антифрикционного фосфида* железа Р'е2Р.

Взаимосвязь Гтряо,с с суммарным содержанием "определяющих" фаз Ев.ф.0 аппроксимируется следующей экспоненциальной зависимостью

Гтрлок = Гтр«плок * ехр(К*г * I,.«.0), . (8)

где Кг-показатель экспоненты (Кг=2,'9*10"л и Кг=1,05*10"г соответственно для низко- и высокотемпературного адгезионных пиков).

Таким образом, на основании проведенных исследований открывается возможность решения двух следующих задач: 1) по значениям Гтрлок определять фазовый состав вторичных структур в трущихся никотрированных сталях. 2) по соотношению объемов-"определяющих" фаз прогнозировать значения Гтрлок и. ■ следовательно, адгезионные свойства исследуемых покрытий.

С использованием уравнения Аррениуса для энергии химических реакций Нхн(< была дополнительно обоснована справедливость уравнения (8) . ' -

Гтр*ок-Гтр«>.>я"*ехр[- -—-]. (9)

\ К*1 I

В соответствии с зависимостью (9) были определены энергии активации .химических реакций на низкотемпературной (Н;:им 1 =66,5 ккал/г*моль) и высокотемпературной • (Нхн*2=83,5ккал/г*моль) стадиях трения никотрированных сталей. Полученные'значения■нхим оказались сопоставимыми со средними значениями теплоты образования

¡{¡аз, принимавшихся в расчет при формулировании уравнения (8).

Проведенные исследования позволили предложить следующую схему Фазовых переходов, реализуемых во вторичных структурах никот-рированных покрытий при трении в режиме ресурсного смазывания (рис:7). Из схемы следует, что оксидные переходы от вюстита (ГеО-Фаза) через Геэ04 к Ге203 осуществляются на базе исходной нитридной 1у'(1?е4Ю~фазы. 8 то же время сульфид, силицид и фосфид железа (Ге32, ГеБ1 и Ре2Р) соответственно образуются 'на основе . а-твердого раствора нитрида в железе.

Область низкотемпературного пика (ТИЗМ<300°С) Химические реакции:

0г 02 A: Fe4fl -> FeO ч Fe304

Si истирание

В: Ко - MoSi0 6 5 - l'"oS2 --------->

Si ' изнашивание

a-Fe -> FeSi —--------->

С: S изнашивание

a-Fe - FeS2 -----------•

Область высокотемпературного пика (300°С<ТИЗН<5000С) Химические реакции:

02 изнашивание

A: Fe304 - Fe203 -----------

Si .испарение

• В: Мо - MoSt„ es ----------

Р ' изнашивание

a-Fe - Fe2P -----------»

С: S изнашивание

a-Fe -> FeS2 ----------->

разложение

Рис.7. Схема фазовых переходов во вторичных структурах ни-котрированного слоя стали 25ХЗМЗНБЦА при трении в режиме ресурсного смазывгшя

Выполненные разработки нашли практическую реализацию в 'ви/Ч'_ "Методики оценки адгезионных, свойств сталей при эксплуатации в-режиме ресурсного смазывания" в. филиале Унитарного предприятия КБП-ЦКИБ С00, г.Тула (Акт от 10 марта 1998 г.), а также в.ТВАИУ, г.Тула (Акт от 12 марта 1998 г.). -Экономический эффект от внедрения методики- определяется сокращением 'трудоемкости•проведения стендовых испытании.

3. ОБЩИЕ ВШОДЦ

1. Обоснована стадийность процессов структурных превращений на поверхностях трения никотрированных сталей в.режиме 'ресурсного смазывания.1 Показано,' что вторичные -структуры'в поверхностных слоях формируются спустя определенное время с начала изнашивания, зависящее от средней температуры разогрева на трущихся поверхностях Тиаи. Длительность данной структурной стадии, сопряженной с фазовыми превращениями по типу вторичных структур, будет тем меньше, чем выше температурный Т„зм-фактор.

2. Установлены основные-типы вторичных структур, формирую-' щихся на базе никотрированцого слоя при трении в условиях ресурсного смазывания. Оксиды различного сгехиометрического состава от магнетита до гематита образуются на основе малоазотистой \-фазы. В то не время такие вторичные фазы как силициды железа и молибдена. сульфиды и фосфиды железа возникают на базе твердого раствора и химических компонентов смазочного материала. Показано, что соотношение объемов указанных фаз определяется действующими на поверхности трения температурами ТНзк. Причем три вторичные "определяющие" фазы:. силицид молибдена, а также сульфиды й оксиды железа присутствуют во всем Исследованном температурном интервале трения, в то время как другие Фазы существуют только в определенных температурных диапазонах.

3. Температурная зависимость для относительного 'содержания трех "определяющих" фаз содержит два характерных максимума. Низкотемпературный пик при (200...250)°С обусловлен высоким содержанием всех трех указанных фаз и отсутствием "локальных" вторичных фаз: сульфида молибдена и фосфида железа. Высокотемпературный пик при (400...450)°с связан помимо "определяющих" Фаз с возникновением новой высокотвердой оксидной фазы типа гематит. .Фоновые значения температурной кривой для/фазового состава вторичных структур сопряжены с наличием сульфида-молибдена в области низкотемпературного пика и фосфида железа в зонах высокотемпературного максимума. .. .

4. Разработана оригинальная акустическая установка, позволяющая воспроизводить и идентифицировать акустоэмиссйонные волны от трущихся' поверхностей. Разработана в связи с этим детерминированная модель',' позволившая рассчитать конструкцию акустического волновода и определить диапазон час ют изгибных акустических колеба-

нин. Обоснована так:::е вероятностная полечь рзглмолвйсшм ругайся поверхностей в условиях тошстоетога контактирования трушпх-ся никотрпроеашшх псгфнт:Ш. Последняя позволяет устанавливай-количестзенинё соответствия ашштудао-частотиих параметров АЭ с г»ометрич'эск!!!1! ц знтафрикнпошшкп характеристике?»-! труг;и;-:ся материалов.

5. Разработан н обоснован адгегионшй критерии в Форме ло- ' кального коэффициента трения Гтгло". Он позволяет оценивать локальные эффекты иикросхватывадая тртеихбя материалов в наиболее "опасных" локальных фрикционных контактах на основе получаемых на установке в диапазоне частот от 10 до 25 кГц амплитудно-частотных-акустических спектров р совокупности о параметрами разработанной спектральной модели, базирующейся па геометрическом рельефе поверхности трения.

- 6. Найдено соотзетстш:,? температурного положения пиков для адгезионного критерия Гтр*®* и максимумов относительного содержания "определяющих" фаз ка температурной зависимости. Показано, что величина Гтрл;М£-паранетра в районе низкотемпературного пика зависит от содержания дзух из трех "определяющих" фаз: силицида молибдена и сульфида келеза■ В то же время величина

Г.Грл5к-фактора в районе вксокотсмпарятурного пика учитывает суммарное содержание всех трех определяющих" Фаз, включая магнетит (£,5аз2). Получены экпирнческие зависимости, позволяющий рзссч-мтн-вать 'адгезионный критерий ГГрЛ0К на основе ¿фаз1 или Хфа92-факторов соответственно в низко- ч Еысокотс-пперзтурйом диапазоне существования вторичных структур.

7. Обоснована схем?. Фазовип переходов во вторичных структурах трущихся. . в условиях ресурсного смазъвания кикотрировзнных сталей. Вяервкэ показано, что переход оксидных Фаз от вэстита через нагати* к гематиту ггргг позшегои температуры на поверхности трении осуществляется на базе малоазотистой ц' -фазы кэрбонитрид-ного елся, в то же время сульфид, силицид ц фосфид железа Формируются на основе «-твердого раствора азота в железе. Определены критические температурные диапазоны фазовых переходов во втор лч-инх структурах. ПослейКб мо:квт явиться материаловедческой базой для создания дйнэмических диаграмм состояния поверхностных структур, Формирующихся в кнкотрпревапных слоях в процессе их трения в различных условиях воздействия окружающей сред:-:.

*' 0. Разработанная методика опенки адгезионных свойств матери-

адов при их эксплуатации в реаиме ресурсного смазывания и диагностики структурного состояния никотрированных покрытий в процессе трения внедрена в филиале унитарного предприятия КБП-ЦКИБ С00 в составе испытательного комплекса по исследованию свойств материалов (Акт от 10 марта 1998 г.), а также используется в ТВАЙУ в лабораторном комплексе по исследованию эксплуатационных характеристик материалов, применяемых для изготовления деталей стрелко-во-пушечного вооружения (Акт от 12 марта 1998 г. ).

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Власов В-'М-. Маленко П.К..Структура и свойства никотриро-ванных хромомолибденванадиевых сталей.-Тула, 1995.-9с. - Деп. в ВИНИТИ 03.03.95, ¡1 608-В95.

2. Власов В. К.. Нечаев Л. 11., Фомичева Н. В-, Маленко П. И. За- -кономерности изнашивания гетерогенных структур высокопрочных химико-термических покрытий//МиТОМ.-1996, N6.-с. 21-25.

3. Власов В. H., Маленко И. П., Маленко FLU.. Зоркин В. И. Некоторые аспекты применения акустической эмиссии в исследованиях триботехкических свойств материалоэ//Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах: Тез.докл.IX . Междунар. конф. -Тула.-1997.-с. 104.

4. Маленко П.И. Исследование адгезионных свойств материалов с 'использованием метода акустической эмиссии//ХХШ Гагаринскре чтения: Тез. докл. Есорос. молод, научн. конф. - М., - 1997. -е.,86-87.

5. Власов В. И. , Нечаев Л.М., Фомичева Н. Б., Маленко П. И. Модель изнашивания высокопрочных- покрытий при усталостном механизме повреждаемости. -Тула, 1997. -Эс. - Деп. в..ВИНИТИ 16.05.97, M 1641-ВЭ7.

6. Власов В.М., Нечаев Л. М., .Фомичёва Н.Б.. Маленко П. И. Критерии оценки износостойкости высокопрочных гетерогенных мате-риалов//Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий: ■ Тез.докл.Междунар.научн. конф. - Волгоград..-1997. -с. 86-87.

Тир. -fOo 3KJ. За к. Огцсчатано в ТулГУ