close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2 Розд.

код для вставкиСкачать
 Розділ 2.
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
Виходячи з сукупності поставлених задач рішення спектру технічних питань потрібна сукупність знань з трибології, хімічної й електрохімічної корозії, а також матеріалознавства. Присутність активного середовища в контактній зоні пар тертя обумовлює накладання додаткового механічного чинника - зношування, що активізує поверхню матеріалу як хімічно так і електрохімічно. У розділі викладені методичні прийоми застосування триботехнічних параметрів боридних покриттів в умовах тертя ковзання без змащування та при КМЗ в активних середовищах на лабораторному обладнанні.
2.1. Логічна модель прогнозування впливу вхідних чинників на результати вихідних параметрів трибологічної системи
На базі літературних даних та власних експериментальних спостережень розроблена логічна модель впливу вхідних чинників на вихідні параметри трибосистеми. За її допомогою можливо поетапно проаналізувати хід явищ в зоні тертя матеріалів в корозійно-активних середовищах. Проведені спостереження дозволяють проаналізувати взаємозв'язок поверхневих змін, що відбуваються, з утворенням захисних плівок, спроможних інтегрувати зміни в матеріалі під дією енергетичного дисбалансу, створеного в процесі тертя.
Трибологічна система включає складну сукупність параметрів, які взаємно впливають на формування структурного стану поверхні, роботоздатної в умовах КМЗ (рис. 2.1.) Сукупність процесів, взаємодіючих у трибосистемі, пропонується розділити на прості підсистеми з різними властивостями нестаціонарних випадків, в яких реалізуються неформальні статистичні характеристики випадкових процесів пар тертя, які залежать від властивостей вхідних чинників системи, одержаних стахостичними процесами, віднесених до вихідних параметрів системи. На основі відомих даних запропонована трибологічна модель з декількох послідовно взаємозалежних підсистем, які характеризуються різноманітністю й ефективністю вхідних данних. Модель очікуваної можливості впливу трибологічних параметрів на КМЗ, враховуючи взаємний вплив вхідних чинників між собою.
А) Експлуатаційними вхідними характеристиками трибологічної системи є:
навантаження Р (МПа), швидкість ковзання V (м/сек), температура τ (°С) навколишнього середовища, схема тертя, властивості робочого середовища, яке задається необхідними робочими чинниками виходячи з доцільності даного вузла тертя, що працює в загальній системі механізму. Чинники першої підсистеми, це вхідні задаючі, в логічній моделі є цілком визначені, що спостерігаються процеси, котрі піддаються контролю, та які можна назвати детермінованими й описати математичною формулою.
1*. Навантаження на пару тертя, являє потужний механічний "коток" -розтягуючий і деформування як поверхневих прошарків, так і оксидних плівок у мікроповерхнях з термомеханічним впливом, а також приповерхневих структур, що пристосовуються до нових умов експлуатації.
2*. Швидкість відносного переміщення поверхонь тертя робочого механізму характеризує тимчасовий чинник утворення свіжих поверхонь і стирання існуючих оксидних плівок. При терті в активному середовищі швидкість також обумовлює взаємодію навколишнього середовища з вільною від тертя поверхнею та сприяє розчиненню останньої в електроліті.
3*.Температура навколишнього середовища значно впливає на початкові (стартові) умови роботи трибосистеми з наступною зміною кількості кисню в робочому середовищі.
4*. Робоче середовище є одним з активних чинників трибосистеми, який впливає на умови роботи механізму та характеризує характер взаємодії в системі "рідина- поверхня".
Рис. 2.1 Модель прогнозування трибологічних параметрів в залежності від вхідних чинників.
5*. Твердість контртіла сприяє зміщенню трибосистеми у бік абразивного зношування, а також впливає на механічну складову в КМЗ і прямопропорційна твердості одного із зразків трибопари.
6* Коефіцієнт перекриття КПmах відноситься до конструкційних чинників. Практично в усіх випадках площа частини робочої пари, що треться менша за загальну площу поверхні зразка або деталі, яка контактує з рідиною, котра задається необхідними робочими чинниками виходячи з доцільності даної системи. При цьому із загальної площі деталі або зразка створюється гальванічна пара між доріжкою тертя - катодом та вільною від тертя поверхнею анодом.
7*. Коефіцієнт перекриття КПmin характеризується суцільною або уривчастою поверхнею робочої площі.
Б). До другої частини логічної моделі входять задаючі технологічні чинники, що можуть бути змінені за допомогою всіляких технологічних і конструкційних засобів, але з жорстко фіксованими технічними характеристиками на період роботи вузла тертя.
8*.Електрохімічна взаємодія покриття й основи, катодні і анодні покриття на поверхні характеризуються обраним середовищем і матеріалом основи.
9*. Різнорідні поверхні (ГЕ mах), це взаємодія поверхонь з однаковими або різними початковими електродними потенціалами. Такі пари тертя обумовлюються взаємодією вузлів, де технологічно неможливо встановлювати трибологічну пару з одного й того ж матеріалу.
10*. Структурна залежність поверхні (ГЕ min). Будова поверхні має різнорідні структурні складові, які утворюють мікрогальванічні елементи між собою в активному середовищі.
11*. Схема тертя є технічною вимогою реального робочого вузла і основною конструктивною вимогою, під яку здійснюється підгонка всіх наступних чинників майбутнього механізму для роботи в умовах КМЗ.
Вхідні чинники можна розглядати як деяку сукупність, або ансамбль дійсних комплексних дискретних тимчасових послідовностей, кожну з яких неможливо проаналізувати в комплексі. Тому є доцільним вивчення взаємодій складових чинників трибосистеми за методикою зрівняння експериментів. З огляду на складність трибологічних процесів з участю корозійно-активного середовища в зоні тертя, параметри поділено на підсистеми. Кожна підсистема відображає заданий процес зі своїми розмірностями і фізико-хімічними характеристиками, тому їх вивчення проводимо за методикою порівняльних досліджень.
У системі "чорного ящика" як у мішалці перемішуються усі вхідні детерміновані робочі чинники. Процес перемішування формує поверхневі взаємодії деформаційного впливу, організовуються нові структурні складові, спроможні витримувати умови, що задаються і пристосовуються до умов роботи пари тертя. Трибосистема систематизує сукупність випадкових розмірностей та розміщує їх у ряд значимості чинників поданих у "чорному ящику", на який стратегічно впливають процеси напрацювання з розподілом деформаційних складових, обумовлених енергетичними характеристиками матеріалу.
Механізми "закритих блоків" з 16 до 21 указують на складність процесів тертя їх контролю і числового виміру.
<16>. При внесенні металу в активне середовище відбувається заміна однієї захисної плівки (ЗПвс), яка є на його поверхні, на більш термодинамічно пристосовані до даного середовища, що змінилося, нові робочі оксидні плівки (ОПрс). У такий спосіб, при перенесенні металу із середовища в середовище постійно відбувається заміна захисних плівок. Протікання процесів тертя також внесе свої істотні динамічні та хімічні зміни в утворення, відмінних від попередніх, оксидних плівок тертя (ОПтр). Така складна, потрійна перебудова оксидних плівок на поверхні матеріалу з утворенням працездатної захисної від окислення і трибологічно придатної поверхні, накладає свій відбиток на фізико-хімічні процеси на зовнішніх прошарках матеріалу, які врахувати та описати конкретною математичною формулою неможливо.
<17>. Температура в процесі тертя підвищує ефект розчинності поверхні і знижує швидкість утворення оксидних плівок, за рахунок зменшення кількості кисню в рідкому середовищі.
<18>. Складний процес тертя поверхонь відбувається на фактичних площах контакту (ФПК) [31]. Кожне таке з'єднання в миттєвому тимчасовому просторі моделює існування тріщини, [43] в основі якої відбувається підкислення середовища, що зміщує корозійні характеристики в кислотний бік на 3...6 пунктів за шкалою рН [50]. Такий механізм назвемо "ефектом тріщини". У зоні контактування двох свіжоутворених поверхонь, як і в тріщині, створюється гальванічна пара з анодом у корені та катодом робочою поверхнею (ОПтр). Між анодом і катодом буде протікати струм, змінюючи стан поверхні тертя. Так як кількість фактичних площ контакту пропорційна навантаженню, то даний чинник підвищує свою еффективність із збільшенням сили зіткнення поверхонь тертя.
<19>. Поверхні тертя при взаємному переміщенні утворюють нерівності, а місцями і мікросхоплення, на яких при наявності електроліту накопичуються електричні (негативні) заряди. Внаслідок того, що процес перетікання має дуже велику швидкість міграції, в результаті чого з гребеня пройде відтік електричних зарядів тобто розчинення поверхні, такий ефект зветься "електрополірування", а струм виходу назвем струмом (Iэ).
<20>. Механічну поздовжню передеформацію поверхні й електростатичний перерозподіл зарядів, що призводить до появи руху електричного струму в напрямку переміщення зразка, який позначим як струм (In) (струм переміщення), назвемо "хвилею".
<21>. Процеси тертя супроводжуються транспортуванням атомарного водню із середовища. Завдяки малому атомарному розміру водень дифундує в матеріал, утворює водневі пустоти, порушуючи атомарну структуру підповерхневого прошарку.
Методи контролю корозійно-механічного зносу
В цю частину досліджень входять стандартні або нові методики за допомогою яких вивчалися процеси взаємодії поверхонь тертя з участю навколишнього середовища.
12*. Ваговий метод контролю КМЗ є одним із самих простих і доступних.
13*. Одним з основних методів дослідження металів на корозію є потенці-остатичний метод.
14*. Новим достатньо ефективним методом використовуваним для дослідження деформаційних процесів при зношуванні металу є акустичний аналіз поверхні.
15* Деформаційно-спектральний метод дослідження тонкої структури поверхневого прошарку дозволяє вивчати структурні зміни на поверхні тертя.
Чинники "Z" позначені на рис 2.1. позицією {26}, що впливають на зносостійкість, є зовнішніми неконтрольованимн і незалежними від системи, на які ми не можемо ні вплинути, ні їх врахувати. Такі зовнішні неозначені чинники характеризують вплив магнітного поля, радіації землі та багатьох інших дій, що постійно змінюються з
непередбаченими періодами та інтенсивністю.
Вихідні параметри
Сукупність вхідних чинників разом із перетвореннями в "чорному ящику" "апроксимуються" вихідними даними:
22*- зносом або зносостійкістю І, (мг/ см² км); И, (мкм /км) 23*- коефіцієнтом тертя μ
24*- температурою Т( °С)
25*- струмом, що виникає між зразком та платиновим електродом зрівняння I(mA).
2.2. Обґрунтування вибору матеріалу
Зростаючі вимоги, змушують проводити ретельний вибір матеріалів для виготовлення деталей і агрегатів, що експлуатуються на повітрі та в агресивних середовищах. Матеріал призначений для роботи в умовах тертя ковзання без змащування повинен бути самозмащувальним, а поверхні, що працюють в умовах КМЗ повинні володіти корозійною-, хімічною-, електрохімічною- і зносостійкістю. При цьому перевагу необхідно віддавати сплавам, які мають у незахищеному стані після 100-годинного впливу робочих хімікатів втрату міцності не більш 10% і пластичності-60% при відсутності проявів міжкристалітної корозії [43].
Агресивність середовища визначається природою, концентрацією водяних розчинів, температурою і розчинністю утворених продуктів корозії. Корозійна стійкість нелегованих сталей визначається як умовами і методами термічної і механічної обробки, так і кількістю вуглецю. Присутність міді до 0,5 % у вуглецевих сталях дещо підвищує їх стійкість у лужних розчинах. До корозійностійких легованих сталей при лужній, кислій та електрохімічній корозії відносяться сталі І - групи мартенситного класу.
Матеріали, що застосовуються у вузлах тертя, що взаємодіють з агресивними середовищами, повинні характеризуватися двома властивостями: достатньою механічною стійкістю при терті та хімічною стійкістю до даного агресивного середовища. З огляду матеріалів та вузлів тертя, що працюють в умовах КМЗ прийшли до висновку, що критерієм роботоздатності пари тертя є поверхневий шар деталей глибиною 100...150 мкм., тому основною метою підвищення експлуатаційних характеристик пари тертя є збільшення стійкості робочого прошарку спряжених деталей до зазначеної товщини. З літературних даних випливає, що найбільш технологічним та простим засобом, може бути захист поверхні металу від корозії за допомогою дифузійного борування. Крім цього, насичений бором метал має достатні антифрикційні властивості. Для досліджень у корозійно-активних середовищах в якості матричного матеріалу вибрані наступні сталі - вуглецева сталь 45 та корозійностійка 40X13, оброблені дифузійним боруванням з додаванням легуючих елементів на товщину 100... 120 мкм.
Робочі середовища підбиралися за характеристиками, стосовно заліза, так як в боридному покритті в зовнішній його фазі (FеВ) міститься біля 84% заліза в сполуці з бором. На базі водневої шкали кислотності за лужне середовище взяли розчин їдкого калію з показниками рН = 13 (в якому іони -ОН гальмують корозію заліза). Нейтральним середовищем служила дистильована вода з показником рН = 7. За кисле середовище була взята кислота НС1 з кислотністю рН = 1. Вибір кислоти обумовлювався її відношення до корозії з залізом, тому що вона має прямолінійну характеристику корозійної дії на залізо від концентрації кислоти. Інші кислоти володіють дещо нерівномірною корозійною характеристикою стосовно заліза, так у Н2SO4 пік корозії припадає на 35%-40% з різкою пассивацією при 50-55% у розчині, а НNO3 - 30-35% і пассивацією при 35-40%. З огляду на те, що покриття з застосуванням бору, насиченому з порошкової суміші, вміщують заліза (87%), то на наш погляд, найбільш придатною для кислотного середовища лишається соляна кислота.
2.3. Рекомендації щодо технології зміцнення поверхонь тертя легованими боридними покриттями
Дифузійне насичення деталей з вуглецевої сталі 45 доцільно проводити в порошкових сумішах, які містять бор, за методикою [61] з добавками порошків легуючих елементів Сr, Ті, Сu, Ni, Mo ,Nb ,W ,V, Mn, Со.
При хіміко-термічній обробці сталі 45 бором з легуючими елементами змінюються властивості поверхні:
а) механічні: твердість, пористість, крихкість поверхневого прошарку;
б) структурні: хімічний та фазовий склад, структура боридного прошарку, вміст легуючого елементу;
в) корозійні: електрохімічні характеристики покриття по відношенню до кислотності середовищ за шкалою рН.
Порошок B4C, що використовується, перед приготуванням суміші прожарюється при температурі 400°С. Режим насичення, товщина насичуваного шару і мікротвердість структурних складових оптимізується для даних умов тертя за допомогою математичних методів планування експерименту. В зв'язку з тим, що для різноманітних умов потрібно неоднакова кількість легуючого елементу в шихті при насиченні можливі різні матриці планування. Двофазне дифузійне борування доцільно здійснювати в порошках карбіду бору В4С, як речовини, з якої в процессі нагрівання утворюється атомарний бор, - інертної домішки АL2О3 і активного елементу АLF. Насичення сталі 45 здійснюється при температурі 970-1000°С протягом 4 годин на глибину 100... 120 мкм. (табл 2.1.). Склад сумішей та режими насичення представлені для вуглецевої сталі 45, що працює в умовах тертя ковзання без мастила. Корозійностійка сталь 40X13 насичується при температурі 1000-1050°С, дані подані в табл. 2.2. Двофазний боридний шар складається з двох фаз - зовнішньої FеВ мікротвердістю 18000 МПа і нижньої Fе2В мікротвердістю - 15000 МПа. Леговані дифузійні покриття одержуються шляхом введення в шихту легуючих елементів у вигляді порошку.
Контейнер з борованою сумішшю захищається від навколишнього середовища плавким запобіжником, перед вміщенням його в муфільну піч. Дифузійні прошарки легованих покриттів на сталях, при цьому, складаються з високоборидної фази FеВ з вмістом легуючих елементів від 0,23 до 0,79%, а для низькобористої фази Fе2В, легованої одним із зазначених елементів від 0,23 до 0,74%. В табл. 2.3. подано оптимальні склади насичуючих середовищ, що містять бор з домішками легуючих елементів, для одержання зносостійких легованих боридних покриттів при роботі в корозійно-активних середовищах для умов тертя ковзання.
Таблиця 2.1.
Кількісний склад бормістких сумішей для нанесення покриттів, що працюють в умовах тертя ковзання без мастила.
Легуючий елемент Вміст легуючих елементів, в % в шихті в боридному покритті Мікротвердість, МПа FеВ Fе2 В FеВ Fе 2В Ті 13...14 0,61 0,74 21500 17300 Сr 10 0,67 - 21500 16800 Ni 16...18 0,26 0,275 15600 13000 Со 6 0,252 , - 16500 13900 Сu 14 0,233 0,41 15400 13200 W 11 0,4 - 19100 15200 V 2...3 0,786 - 19300 16300 Nb 5 0,43 - 19800 16500 Мо 4...5 0,39 - 14800 13500 Мn 4 0,45 0,23 20500 16800 Таблиця 2.2. Механічні характеристики боридних покриттів на сталі 40X13
Режим Борування Мікротвердість покриття, МПа τ, C час FеВ Fе2В 1000 5 18500 12000 2.4 Методика дослідження КМЗ за схемою замкнутого контуру
Електрохімічні процеси, що проходять у взаємодії між електролітом та парами тертя з урахуванням технологічних процессів на виробництві, є достатньо складними.
Таблиця 2.3.
Кількісний склад боромістких сумішей для насичення покриттів, що працюють в умовах тертя ковзання в активних середовищах.
Легуючий
елемент Вміст легуючих елементів,в % Мікротвердість,МПа в шихтів боридному покритті FeB Fe2B FeB Fe2 B Ti 10...13 0,62 0,78 21500 17300 Cr 14...10 0,65 _ 21000 16000 Ni
18...20 0,25 0,265 15600 13000 Co 6 0,252 _ 16300 13400 Cu 15 0,243 0,41 15000 13000 W 11 0,4 _ 19100 15200 V 2...3 0,786 _ 19300 16300 Nb 5 0,43 _ 19800 16500 Mo 4...5 0,39 _ 14800 13500 Mn 4 0,45 0,23 20500 16800 Оскільки зовсім ізолювати робочу ділянку від навколишніх деталей вузла тертя неможливо, тому віддається перевага спрощенній схемі тертя, наближеній до реальних умов. Найбільш складно врахувати струми, що утворюються і перетікають як у зоні тертя, так і поблизу струмопровідних деталей вузла. Крім цього, має місце вплив струмів різноманітних технологічних з'єднань, які мають дотик до електроліту і утворюють гальванічноелектричні пари. Найбільш простою є схема торцьового тертя.
Деталі машини тертя, безпосередньо працюючі в рідкому середовищі, виготовляються з матеріалу, що має більш електроднопозитивний потенціал, ніж самі зразки, тому електричним впливом обрамлення, виготовленого з нержавіючої сталі 08Х18Н10Т, можна знехтувати.
Принципова схема установки тертя показана на рис. 2.2. Обертальний момент від електродвигуна (1) через редуктор (2) передається на контртіло (3), яке працює в парі зі зразком (5), останній самовстановлюється за допомогою підп'ятника (6) і гайки (8). Зразок (5) сприймає на себе обертовий момент і з втратами на тертя передає через вал (17) на тензобалку (22). З неї посилений сигнал підсилювачем (13) надходить на самописець (14). Пара тертя знаходиться в ємкості наповненій рідиною. Температури робочої рідини контролюються приладом ЕПП-М (11) з точністю до 0,5° С. Задана температура робочої рідини підтримується системою, що складається з термостата (23), помпи (24), двостінної ємкості (9), через яку прокачується нагріта або охолоджена вода. Для зміни робочого середовища передбачено зливну горловину (7). Циркуляція робочої рідини через зону тертя здійснюється за рахунок відцентрових сил обертового вала і проходить через прорізи на зразках та між поверхнями тертя. Перемішування рідини здійснюється крильчаткою (4), закріпленою на валі з контртілом. Багатофакторність процессу тертя в активних середовищах ускладнює процес визначення зносу. Тертя в умовах КМЗ містить у собі як механо-хімічне стирання поверхонь, так і хімічне розчинення площин, що не приймають участі в терті, тому загально ваговий знос служить тільки як відносний чинник. Вимір зносу в корозійно-механічному процесі тертя вивчався багатьма авторами і визначався різними способами. Найбільш зручний метод визначення зносу поданий у роботі [1] при дослідженні корозійної стійкості металів у цукровій промисловості, що враховує як лінійний знос рухомого, так і нерухомого зразків пари тертя. Сумарний знос зразків визначався за зміною лінійних розмірів індуктивним датчиком (26), а зміна маси враховувала розчинення поверхні зразків при омиванні електролітом.
Рис.2.2. Схема установки тертя
Визначення загального вагового зносу здійснюється на аналітичних вагах АДВ-200 з точністю 0,0001 грама. Для цього зразок промивається проточною водою, потім споліскується в спирті або ацетоні, висушується і зважується, різниця вагового показника служить величиною втрати матеріалу за час досліду. За величину приведеного зносу приймається кількість зношеного матеріалу на кілометр шляху.
Найбільше точною, але трудоємкою методикою визначення зносу пар тертя в активних середовищах, є метод міток, який полягає в наступному: на площині зразка, що треться за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3 стандартною пірамідкою наносяться по три уколи в чотирьох місцях круглого зразка. Уколи в плані зображували квадрат з діагоналями, вимірюючи які до - і після випробувань давали можливість прорахувати знос покриття з точністю до 0,1 мкм. Виміри параметра "D" проводяться на металографічних мікроскопах ММР-2Р, МБС-10, або приладі ПМТ-3 з підбиранням необхідного збільшення для конкретної величини зносу. Тарировку вимірювального окуляра мікроскопа проводиться за допомогою об'єктмікрометра (ТОСТ 15150-69 відповідно до ГОСТ 3-3. 2038-87), що має ціну поділки 10 мкм. У полі зору мікроскопа робиться настроювання таким чином, щоб накласти шкалу об'єктмікрометра на шкалу окуляра, що дає можливість визначити ціну поділу окуляра. Для розрахунків використовували формулу:
I=(D-Dн)/2*tgα де:
D- діагональ,
α - кут при вершині піраміди, 2α =136°
Рис. 2.3. Схема визначення зносу за допомогою відбитка мікротвердоміра ПМТ-3.
2.5. Визначення зносостійкості методами акустичної емісії
Випромінювання хвиль, утворених у процесі яких-небудь внутрішніх переміщень в матеріалі, називається акустичною емісією. Внутрішні відносні переміщення в структурному середовищі матеріалу можуть бути викликані впливом зовнішнього джерела, наприклад при відносному переміщенні контртіла у процесі тертя. Відомо, що енергія хвильового випромінювання послаблюється зі зменшенням швидкості співударів або інших подібних умов: ковзання, двійникування, фазових перетворень, утворення тріщин що, взаємодіють по площі фактичного контакту в процесі відносного переміщення.
Інтенсивність зношування зміцнених зразків визначається експрес-методом, заснованим на застосуванні акустичної емісії (АЕ), сутніть якого полягає в тому, що в процесі тертя відбуваються структурні зміни матеріалу, які супроводжуються випромінюванням механічних хвиль. Перспективність використання АЕ для вивчення процесів, що відбуваються при терті і зношуванні. Реєстрацію і опрацювання акустичних сигналів, що виникають у зоні тертя. Сигнал знімається з нерухомого зразка за допомогою п'єзодатчика, виконаного на основі кераміки ЦТС-19 з робочим параметром у діапазоні частот від 0,2 до 2 МГц, посилюється попереднім підсилювачем і подається на акустикоемісійний прилад АИ-4096А-90. Амплітудний розподіл акустичних сигналів виводиться на цифро-друкуючий пристрій. Інтенсивність акустичного сигналу фіксується самописем типу ЛКС4-003.
Використовуючи регресійну залежність можна зробити розрахунок інтенсивності зношування пари тертя в будь-який момент часу, як на несталому, так і на сталому режимах тертя. Перевірку адекватності регресійної залежності експериментів ефективно проводити за допомогою оцінки відхилень обчислених за рівнянням регресії від експериментально встановлених і усереднених за числом повторень дослідів. Для оцінки відхилення використовується критерій Фішера. Регресійна залежність повинна бути адекватна даним експерименту з 90% довірчої можливості. Для дослідження використовуються підготовлені зразки циліндричної форми з прорізами на поверхні тертя для вільного доступу модельного середовища на всю робочу площину зони тертя. Дослідження на тертя ковзання проводиться за схемою "торець по торцю", розташованих горизонтально зразків, а модельний розчин подається краплинами в зону тертя; така схема дозволяє максимально знизити ефект розчинення в умовах КМЗ. Досліди проводяться на машині тертя УМТ-1. Відпрацювання методики здійснюється на базовій парі тертя (боридна сталь 45 по боридній сталі 45 при терті в дистильованій воді) на швидкостях ковзання від 0,5м/с до 2 м/с з варіюванням навантажень у максимально можливих межах. В процесі експерименту реєструється амплітудні розподіли сигналів акустичної емісії, силу тертя та температуру в зоні дотику зразків. Знос визначається ваговим та лінійним методами.
2.6.Визначення взаємозв'язку між структурою і фізико-механічними властивостями боридних покриттів методом деформаційно-спектрального аналізу
Трибоспектральний метод заснований на неоднорідності напружено-де-формованого стану поверхні матеріалу, що сканується діамантовим конусом у режимі пружньо-пластичного деформування. Трибометр являє собою інформаційно-вимірювальну систему з висновком на перфосмужку з наступним опрацюванням на ЕВМ за розробленими програмами кореляційно-спектрального аналізу. За допомогою даної системи можливо оцінити: однорідність, тривкість, структурні складові уздовж траси сканування та ідентифікувати вид зношування, що дозволяє обгрунтувати параметри трибологічної діагностики покриттів в агресивних середовищах.
2.7.Дослідження корозійної стійкості легованих боридних покриттів в статичних умовах
Дослідження корозійної стійкості дифузійних легованих боридних покриттів на вуглецевих сталях доцільно проводити:
а) Ваговим методом. Для цього зразки прямокутної форми зі сталі 45 опрацьовуються хіміко-термічним методом за методикою описаною вище, після чого підвішуються у скляній посудині наповненій:
1.кислим середовищем: 5-процентного розчину НС1 в дистильованій воді, рН = 1;
2.нейтральним середовищем; дистильованій воді, рН = 7;
3.лужним середовищем; 5-процентного розчину КОН в дистильованій воді, рН = 14.
Зміна маси фіксується через 5 год., продукти корозії необхідно знімати м'якою гумкою і змивати струменем води, потім промити ацетоном і зважити на аналітичних терезах.
Розрахунок корозійного руйнування здійснювався за методикою.
Kкр=q/Sτ,
де: q - втрата маси,
S- площа контактного середовища,
t- час взаємодії середовища з матеріалом.
б)Дослідження корозійних властивостей боридних покриттів потенціостатичним методом.
Потенціостатичні криві знімаються на потенціостаті П-5827М за стандартною методикою з зразків площею 1см2 розміщених в електролітичному середовищі з хлорсрібним електродом порівняння, при швидкості розгортки 0,5 м/с, амплітуді 1В і часу розгортки 33 хв. 20 сек. на зразках із сталі 45, оброблених хіміко-термічним методом у порошковій суміші бору. Поверхні зразків, що не працюють, покриваються цапонлаком з наступною просушкою 70...80° С в електричній печі. Далі знімаються потенціостатичні криві на зазначених режимах, після чого проводиться випробування на тертя та зношування за схемою " торець по торцю" в одному з трьох модельних середовищ, кислому 5-процентному розчині соляної кислоти в дистильованій воді, нейтральному - дистильованій воді та лужному - 5-процентний розчин їдкого калію в дистильованій воді. Після чого напрацьовані зразки підлягають дослідам на потенціостаті в тих же корозійних середовищах ,в яких досліджувались перед напрацюванням, потім поміщаються в потенціостат з метою зняття потенціостатичних корозійних характеристик.
2.8. Методика визначення трибологічної електрорушійної сили в умовах корозійного зношування
Взаємодія електроліту з металом супроводжується переміщенням електричних зарядів, кількість яких характеризує силу корозійної дії. Для визначення величини електрорушійної сили зарядів, що утворюються в контактній зоні тертя, необхідно мати пристрій до машини тертя СМЦ-2, який вимірює електрорушійну силу струму, утвореного між випробуваним зразком та платиновим еталонним електродом в агресивному середовищі.
Схему дослідів тертя "вал-вкладиш" з подачею рідини краплинами у зону контакту показано на рис. 2.4.. Камера для випробувань повинна бути виготовлена з електроізоляційного матеріалу - ебоніту. Електричний ланцюг замикається через послідовно увімкнуті: зразок 1, потік електроліту, платиновий електрод порівняння (контакт 5), через амперметр на зразок. Величина струму реєструється мікроамперметром і записується на самописець, паралельно вимірюється коефіцієнт тертя, за допомогою зміни струму контролюється тимчасовий чинник початку сталого режиму тертя. Для проведення експерименту зразки із сталі 45 у вигляді куба з робочою площею контакту 1 см² обробляються в порошкових сумішах з добавкою легуючих елементів Сr, Сu, Ті, Ni, Мо, V. У процесі напрацювання знос вимірюється ваговим і лінійним методами за розміром виробітку на поверхні зразка, на який попередньо наносяться уколи пірамідою мікротвердоміра ПМТ-3. Початок струмового режиму визначається в зазорі в 0,5 мм між обертовим контртілом та зразком, що визначає струм розчинення (омивання) Ірр матеріалу зразка (контртіло при цьому виготовляється з електрично нейтрального матеріалу фторопласту).
Різниця струму розчинення і тертя при навантаженні 10 кг/см є електрохімічною характеристикою досліджуваного матеріалу, що впливає на механічну складову КМЗ.
2.9. Технологія лазерної обробки боридних покриттів
Обробка матеріалу високими енергіями сприяє утворенню нових структурних станів. Дослідження боромістких покриттів, оброблених лазером має значний інтерес з точки зору структурних перетворень. Для зразків використовується сталь 45, оброблена хіміко-термічним методом у порошковій суміші (97% B4С + 3% АlFз ) протягом 4-х годин при температурі 950° С.
Рис.2.4. Пристрій для вимірування трибоелектрорушійної сили(електрична схема)
Обробка боромістких покриттів провадиться лазерною установкою КВАНТ- 18М на частоті 1062нм.; використання даної частоти має високу поглинаючу здібність металу в порівнянні з газовим лазером. Обробка зразків провадиться в широкому діапазоні технологічних параметрів:
W- енергія випромінювання від (0,3.. .2 кВт); n - кількість випромінювань лазером;
d - діаметр променю випромінюваного лазером, мм.;
τ- час впливу лазерного променя, мкс.
Вибирання енергії оплавлення та часу впливу на покриття FеВ+Fе2В для технології лазерного опрацювання з метою одержання високодисперсної однорідної (роботоздатної) структури як на повітрі, так і в агресивних модельних середовищах проводиться за допомогою методів математичного планування. Узагальнюючим критерієм роботоздатності структури є інтенсивність зношування та коефіцієнт тертя.
Для обробки використовуються попередньо борована сталь 45 із загальною товщиною прошарку 100... 120 мкм, яка покривається шаром графіту товщиною 5...15 мкм (методом намазування). Графіт зменшує ступінь відбиття променя, внаслідок чого зберігається до 80% лазерної енергії. Обробка поверхні провадиться енергією випромінювання від 9 до 25Дж, діаметр світлової плями змінюється від 2 до 5мм і час впливу складав від 1 до 10 мкс. Для одержання зносостійкої структури, спроможної працювати на тертя в агресивних середовищах, ефективна технологія легування двофазного боридного прошарку хромом. Зразки виготовляються з сталі 45, насичення здійснюється з порошкової суміші (77% В4С+ 20%Аl2О3+3%АlF3) при температурі 950 °С протягом 4-х годин. Товщина насиченого прошарку повинна складати 100... 120 мкм. Далі на досліджувану поверхню наноситься суміш з 5... 15% цапонлаку та з 85...95% порошку хрома. Товщина прошарку обмазки до товщини покриття співвідноситься як 1:2 та 1:1. Сушіння проводиться на спокійному повітрі при кімнатній температурі 20...25 С. Боридні зразки з нанесеною обмазкою обробляються твердотільним лазером КВАНТ-18М на режимах з густиною енергії 0,6... 1,3 кВт/мм ., що відповідає потужності 20... 28 Дж і кількістю впливів 1... 3, діаметр світлової плями складає 1...3мм, час впливу 1... 8 мкс.
Досліди на зносостійкість доцільно проводити на машині тертя СМЦ-2 за схемою тертя "вал-колодка" за стандартною методикою. Для визначення оптимальних умов роботоздатності отриманого покриття за допомогою математичних методів планування експерименту проводиться дослідження в широкому діапазоні навантаження, швидкості та агресивності середовища.
2.10. Математичне опрацювання експериментальних даних
Основою будь-якої науково-технічної розробки є експеримент, який характеризується збором статистичних даних. При цьому чим більше вхідних чинників, тим більше часу необхідно для упорядкування вихідних результатів і виявлення зв'язку між кожним або групами вхідних чинників. Для скорочення часового чинника при визначенні роботоздатності вузла тертя застосовуються всілякі теоретичні і математичні засоби. З огляду на те, що тертя в агресивних середовищах є багатофакторний процес взаємодії поверхонь металів між собою, найбільш ефективним є метод математичного планування експерименту, заснований на моделі у вигляді алгебраїчних поліномів, розкладених у ряд Тейлора в околі довільної точки області є визначення у просторі:
n=f(x,xi,...xk)= β+Σ β1 x1+...+ Σ βij xi xj;
Такий ряд можна продовжувати до безкінечності, реально він скінченний і апроксимує, в даному випадку невідому функцію f= (х1 х2, хk), поліномом деякого ступеня. Проте така апроксимація можлива лише за деяких умов, якщо функція неперервна і достатньо "гладка", не має великих розкидів експериментальних даних. Базуючись на досліджених даних був забезпечений шлях керування експериментами. Початок і напрямок експерименту до оптимальної точки або площини точок визначальної роботоздатності вузла тертя доцільно здійснювати за допомогою математичного аналізу з дробною реплікою і дублювання дослідів у центрі та крутим сходженням. У центрі оптимуму застосовується план другого порядку, проводиться експеримент і будується поверхні відгуку. За основу при побудові плану другого порядку застосовується центральний композиційний ортогональний план для двох чинників із визначенням оптимальних площин відгуку. Оцінку коефіцієнтів квадратичної моделі (1) реалізують результатами експерименту у котрому кожний чинник варіюється на трьох рівнях.
Y=b + b1x1 +b2x2 +b12x1x2 +b11x1 ²+b22x2 ²(1)
де: b, b1, b2 - вибіркові коефіцієнти регресії; x1 ,x2 - визначні чинники;
Y - вибіркова оцінка функції відгуку.
В табл.2.4. наведена матриця центрального композиційного ортогонального планування для двох чинників. Спочатку ставимо досліди 1-4, що складають основу плану і дозволяють наблизити поверхню відгуку до реальних дослідів. Неадекватність системи добавляє кількість дослідів у зоряних точках, що дозволяє знайти квадратичну модель за методикою. Для зоряного плеча взяте значення L=1.
Геометрична поверхня відгуку (1) подається у вигляді геометричного розподілу точок у площині змінних Х1 та Х2. При У = соnst рівняння (1) визначає криволінійність поверхні другого порядку. Результат залежить від значень інваріантів кривої. Важливість центральної точки поверхні відгуку, котра є екстремумом, визначає центр координат диференційного рівняння (1).
Трибологічні характеристики покриттів визначаються межами варіювання та умовами кодування зазначеними в табл.1. Чинник Х1 варіюється на п'ятьох рівнях, а чинник Х2 - на трьох. Подальші розрахунки проводяться , де враховується чинник варіювання числом дослідів у матриці. Розраховується дисперсія і перевіряється значимість. Визначення роботоздатності оброблених лазером боридних покриттів залежить від шести загальних параметрів і трьох технологічних:
Х1 - W- потужність лазерного променя;
Х2 -q - щільність лазерного променя;
Х3 - n- кількість впливів;
Х4- Р- навантаження (Н);
Х5- V- швидкість (м/с);
Х6- рН- активність середовища.
На базі останніх будується матриця планування для визначення зносостійкості і параметрів технології опрацювання лазером. Використовуючи стандартні методи планування складається матриця планування експерименту з вхідними параметрами від трьох до шести, під яку на мові Тurbo-Ваsіk, виготовлені програмні продукти для розрахунку експерименту з вихідним параметром - зносостійкістю (інтенсивність зношування, коефіцієнт тертя і струм утворений в середовищі металевою поверхнею).
Таблиця 2.4.
Матриця планування
N Х1
X2 УПримітка 1 +1 +1 У1Повний
факторний
експеримент 2 +1 -1 У2 3 -1 -1 У3 4 -1 +1 У4 5 +1 0 У5 6 -1 0 У6Зоряні точки 7 0 +1 У7 8 0 -1 У8 9 0 0 У9Нульова точка Висновки:
1. На основі літературних даних запропонована логічна модель прогнозування трибологічних параметрів в залежності від вхідних чинників.
2.Відпрацьовано методику експериментальних досліджень, запропоноване устаткування для реалізації поставленої задачі, з допомогою якого можливо масштабно простежити за змінами, що відбуваються в зоні корозійно-механічного контакту боридних покриттів нанесених на конструкційні нелеговані сталі.
3.Обгрунтовано сталі та покриття, які використовували для вивчення процесів корозійно-механічного зношування.
4. Обрані математичні методики планування експерименту, а також обґрунтована побудова математичної моделі технологічної послідовності вивчення впливу активного середовища на тертя ковзання металевих поверхонь.
5. Запропоновано методику обробки двофазного боридного покриття лазером для підвищення його трибологічних характеристик в умовах тертя ковзання без змащування.
6. Запропоновано методику обробки двофазного боридного покриття лазером з метою підвищення стійкості в умовах КМЗ. 29
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
84
Размер файла
390 Кб
Теги
розд
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа