Номер части:
Журнал

МИКРОАНАЛИЗ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МАТЕРИАЛОВ



Науки и перечень статей вошедших в журнал:
Авторы:
DOI:


Введение. Износостойкость сопряжений в современном машиностроении имеет решающее значение  и в основном определяет  работоспособность и долговечность машин.

  Процесс изнашивания зависит от большого числа факторов, к которым в первую очередь следует отнести: сочетание физико-механических свойств, трущихся материалов, шероховатость и точность изготовления сопрягаемых деталей, скорость и характер трения, удельное давление, условия смазки и т.д. Качественное и количественное  соотношение этих и  других  факторов определяют механизм изнашивания и характеризуют тот или иной вид износа.

Проблема повышения износостойкости решается путем изучения закономерностей изнашивания при самых различных условиях трения и влияния большого числа характеристик поверхностных слоев на процесс изнашивания. Механизм изнашивания настолько сложен, а разнообразие факторов, влияющих на трение  настолько велико, что,  несмотря на большой объем исследований в области трения и износа, настоящая проблема на сегодняшний день остается не менее актуальной. Ее изучению посвящено большое число фундаментальных и прикладных работ  [1, 2].  Исходя из результатов проведенных работ,  выявлены основные закономерности и получены зависимости описывающие характер износа при различных условиях трения.

Однако эти зависимости носят, как правило, качественный характер и не могут быть использованы для расчетных целей. Многие попытки  сделать сопоставимыми огромные экспериментальные материалы по трению и износу, учитывая наиболее характерные сочетания свойств, трущихся материалов и режимы испытания,  позволили лишь частично решить эту проблему. Ее решение, как принято считать, состоит в оценке относительной износостойкости путем сравнения с одним из стандартных эталонов в рамках определенного вида изнашивания.

  1. II. Общие положения. Особенности постановки задачи исследования. Большинство методов оценки износостойкости основано на, так называемом, «макроскопическом» анализе изучения триботехнических характеристик материалов, путем анализа контролируемых параметров износа, таких как: изменение толщины изношенного слоя, веса, объема, шероховатости поверхности, электрофизических, физико-механических и химических свойств исследуемых образцов и продуктов износа, а иногда и реальных деталей. В основе этих методов лежит, как правило, принцип максимального приближения условий лабораторных испытаний к реальным условиям работы исследуемого сопряжения.

Объектами таких испытаний часто являются поверхности износа подвергнутые различным видам  упрочняющей обработки:  термической, химико-термической, электрохимической, термомеханической, а также поверхности,  имеющие износостойкие и защитные покрытия.  В этом случае важным показателем является зависимость износостойкости поверхности от глубины упрочненного  слоя, характеризующая во многом работоспособность сопряжения при длительной эксплуатации. Эта зависимость может существенно  отличаться  при переходе  от одного   слоя к другому, определяя динамику износа сопряжения. Существующие методы позволяют  выявить эту важную зависимость, однако при этом требуется проведение многократных  и длительных испытаний, с постоянным или дискретным контролем  основного параметра износа при переходе одного слоя к другому. Это в большинстве случаев требует остановки испытания, переналадки экспериментального оборудования и восстановления прежних  условий испытания, что часто является следствием появления дополнительных погрешностей. Наряду с этим, исследуемые параметры одной из поверхностей сопряжения во многом определяются  взаимным влиянием другой сопрягаемой пары трения и совокупностью условий испытания. Оценить индивидуальные характеристики износостойкости одной из сопрягаемых поверхностей становится в этих условиях достаточно сложно, в тоже время это может оказаться весьма полезным для изучения и анализа закономерностей изнашивания. На этой основе возможно получение некоторой величины  относительной  износостойкости определенного материала (вида упрочнения) определяемого путем сравнения с некоторым стандартным эталоном.  Такой подход может оказаться вполне приемлемым, особенно для количественной оценки эффективности новых технологических процессов упрочнения, в рамках целого направления исследований.

В предлагаемой статье делается попытка создания альтернативы существующим стандартным методам оценки износостойкости  на основе предлагаемого дифференциального микроанализа износостойкости упрочненных поверхностных слоев различных материалов.

  1. II. Особенности подхода. Способ позволяет представить реальную картину изменения износостойкости по глубине всего упрочненного слоя, включая исходный, не подвергнутый обработке слой материала.

Предлагаемый способ заключается в воздействии на исследуемую зону частиц абразивного материала однородного  по химическому и гранулометрическому  составу, находящегося в жидкой среде, при возбуждении  в ее объеме ультразвуковых колебаний. Изнашивание контролируемой поверхности  осуществляется за счет соударений частиц абразива с исследуемой поверхностью и выноса продуктов износа в результате их микро ударов, возбуждаемых ультразвуковым излучателем. Равномерное воздействие на обрабатываемую поверхность частиц абразива обусловлено стабильным распределением акустических колебаний в объеме  жидкости  между ультразвуковым излучателем и поверхностью исследуемого объекта. По механизму изнашивания данный вид испытания можно считать аналогичным к  таким видам износа, как абразивный и кавитационно-эррозионный.

Схема экспериментальной  установки показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки.

При возбуждении ультразвуковых колебаний в жидкой среде частицы абразива, имеющие, как правило значительно высокую твердость по отношению к обрабатываемому объекту,  переходят во взвешенное  состояние  и совершают  колебательные движения между рабочей поверхностью ультразвукового генератора (УЗГ) и исследуемой поверхностью. В качестве рабочей среды можно использовать воду, различные смазочные, коррозионные и другие жидкие среды,  имитирующие условия работы исследуемого материала. Сила микроударов  частиц,  вызывающих износ поверхности зависит от мощности УЗГ, расстояния h , массы частиц и вязкости среды. Частота соударений зависит от частоты колебаний генератора в качестве, которого в данной работе использовался ультразвуковой магнитострикционный диспергатор    УЗДЛ-1,   с  частотой   22 кГц.  Данная частота колебаний входит в диапазон частот от 20 до 50 кГц,  рекомендованных для технологических применений ультразвука [3]. В качестве абразивного материала использовался микрокорунд определенного гранулометрического состава.

Принятое параллельное расположение рабочей поверхности УЗГ и поверхности объекта исследования, позволяет вести обработку  в стоячих или близких к стоячим волнам, обеспечивающих наиболее равномерный износ исследуемой поверхности. Для температурной  стабилизации условий испытания и получения наиболее достоверных результатов,  УЗГ и жидкая рабочая среда охлаждались проточной водой. Качественная оценка исследуемого параметра износостойкости в результате  экспериментальных работ, оценивалась кривой  профиля поверхности исследуемой зоны образца, посредством  записи профилограмм. Полученные таким образом кривые профиля поверхности объективно отражают фактическую износостойкость поверхностных и внутренних слоев исследуемого образца.  Запись профилограмм,  осуществлялась в пределах зоны упрочнения,  включая не упрочненную зону для получения  сравнительных данных при анализе профиля испытываемой поверхности. Анализ полученных профилограмм позволяет дать не только качественную оценку  износостойкости исследованных слоев, но и количественно оценить прирост  (снижение)  этого параметра по отношению к исходному (не упрочненному) слою исследуемого материала.

III. Сравнительный анализ результатов эксперимента. На рис. 2а  показана  профилограмма  поверхности образца изготовленного из стали ШХ-15, подвергнутого лазерному термоупрочнению,  выполненному в виде микрошлифа. Приведенная кривая профиля,  полученная при обработке микрошлифа  на данной лабораторной установке  хорошо согласуется с кривой  зависимости показателя микро твердости  от глубины зоны термического влияния (ЗТВ) рис. 2б), приведенной в работе [4].

Рис 2. а) Профилограмма поверхности микрошлифа; б) Распределение микротвердости по глубине ЗТВ;  А – зона закалки; Б – переходная зона; В – исходный материал.

Анализируя данную профилограмму можно выделить три наиболее характерные зоны: А – зона  термоупрочнения (закалки) поверхностного слоя, имеющая повышенную износоустойчивость и микротвердость;  Б  — зона переходного  слоя, характеризует постепенное снижение микротвердости по отношению к зоне А;  В – зона исходного (не упрочненного) материала.

  1. IV. Заключение. Наряду с объективной оценкой износостойкости, данный метод исследований позволяет выявить корреляционную связь между такими важными свойствами и параметрами исследуемых материалов как структурная неоднородность и твердость в пределах исследуемых зон.

В этой связи, предоставляется возможным проведение целого комплекса исследований, начиная с металлографического анализа и изучения микроструктуры упрочненного слоя, измерения микротвердости слоев с последующим изучением и анализом износостойкости. Это позволит получить не только достаточно полную картину структурных и физико-механических свойств материала, но и выявить их реальную корреляционную взаимосвязь. Поэтому, исследования целесообразно осуществлять на подготовленных по известным методикам микрошлифах, подвергая их последовательному комплексному исследованию. Таким образом, ограничившись и подвергнув исследованию всего лишь один микрошлиф, можно получить целый ряд важных структурных, физико-механических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев материала, ясно представляя при этом картину их взаимосвязи.

Предлагаемая методика исследований позволяет не только сократить объем подготовительных и экспериментальных работ, но и значительно повысить достоверность, объем и качественный состав исследовательского материала.

Список литературы

  1. Крагельский И.В. Трение и износ.М.: Машиностроение. 1968, 480 с.
  2. Суслов А.Г.., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 425с.
  3. Мощные ультразвуковые поля/ Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968, с.266.
  4. Shastin V.I., Malov A.N. Lazer surfacing and hardening for sliding friction constructions. Fundamental Problems of Opto-and Mictroelectronics.  Kabarovsk. 2004. P.263-267.
    МИКРОАНАЛИЗ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МАТЕРИАЛОВ
    Written by: Шастин Владимир Иванович, Коновалов Николай Петрович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/29/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)
    Available in:Ebook
Записи созданы 6765

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх