Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

к. т. н. Зелинский В. В., асп. Сучилин Д. Н.

Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых", Россия

Оценка влияния пластического деформирования на несущую способность трибоматериалов

Одним из новых направлений в машиностроении является разработка теоретических и экспериментальных основ в области деформирующих триботехнологий. Одним из методов триботехнологии является пластическое деформирование поверхностного слоя деталей, которое предварительно формирует напряженно-деформированное состояние в поверхностном слое, чем существенно влияет на совместимость трибосистем.

В соответствии с современными представлениями в трибологии рабочие поверхности сопряжений трения должны соответствовать критериям совместимости. Совместимость - это способность двух или нескольких материалов выполнять совместно заданные функции в узлах трения без ухудшения их эксплуатационных свойств по коэффициенту трения и износу. [1] К критериям совместимости относятся: нагрузка задира, температура трения, нагрузка перехода режимов смазки, температура перехода режимов смазки, и др. Анализ критериев совместимости позволяет объединить их комплексным показателем - несущей способностью трибосистем, основным элементом которых являются трибоматериалы, выбор которых можно производить по несущей способности.

В данной работе приведены результаты исследования формирования несущей способности поверхности антифрикционного сплава АО20-1, как наиболее широко применяемого в подшипниках скольжения транспортных двигателей внутреннего сгорания, силовых и энергетических установок и др. Исследование проводилось в условиях возрастающей нагрузки с оценкой напряженно-деформированного состояния (НДС) поверхностного слоя и соответствующего уровня несущей способности.

Для исследования НДС в поверхностном слое антифрикционного сплава АО20-1 использовался микротвердомер ПМТ-3М. Методика изучения распределения микротвердости в поверхностном слое предусматривала измерение микротвердости на косых шлифах и на рабочих поверхностях образцов. Подготовка косого шлифа, расположенного под углом 5° относительно рабочей поверхности, осуществлялась в соответствии с методикой металлографического исследования, применяемой в материаловедении. При этом использовалась шлифовальная бумага с разной величиной абразивного зерна (№320, №800, №1200, №2000) с последующей полировкой.

Деформирование трибоповерхности образца антифрикционного материала осуществлялось накатыванием роликом с использованием специального нагрузочно-деформирующего устройства. Опытные значения нагрузок назначались из условия отсутствия разрушения материала в поверхностном слое на основе предварительного теоретического анализа всего спектра возможных напряженно-деформированных состояний [2].

Проведение испытаний осуществлялось на лабораторном триботехническом комплексе, состоящем из модернизированной машины трения и контрольно-измерительной аппаратуры. Методика испытаний образцов предусматривала трение со смазкой по схеме «ролик-плоскость» при постепенном ступенчатом повышении внешней нагрузки до предельного уровня. В процессе испытаний непрерывно измерялись и регистрировались с помощью самописцев момент трения и температура трения.

Результаты изучения НДС образцов, прошедших испытание без предварительного накатывания и с предварительным накатыванием, а также образцов, подвергнутых лишь накатыванию, представлены на рисунке 1. Кривая 1, отражающая распределение микротвердости по глубине в поверхностном слое, соответствует образцу без предварительного накатывания. Видно, что проведение испытаний на трение значительно повысило микротвердость наружных слоев (до 2-х раз). Постепенное убывание микротвердости распространяется до глубины порядка 120 мкм. Кривая 2 отражает изменение НДС, достигнутое предварительным накатыванием. Микротвердость наружного слоя и глубина измененного НДС также повысились, но в меньшей степени (не более 20%). Зависимость изменения микротвердости для образцов, прошедших предварительное накатывание и испытание на трение, отражает кривая 3. При этом примечательно, что изменение НДС по глубине для накатанных и прошедших трение образцов оказалось совпадающей с изменением микротвердости по ходу испытаний для образцов без накатывания, причем уже после непродолжительных начальных этапов нагружения, что подтверждают результаты на рисунке 2.

Рисунок 1 - Распределение микротвердости по глубине (1 - испытанный на трение ненакатанный образец , 2 – накатанный образец, 3 - испытанный на трение накатанный образец).

Рисунок 2 - Изменение микротвердости поверхностного слоя при испытании на трение с постепенным ступенчатым повышением внешней нагрузки (1 - ненакатанный образец , 2 - накатанный образец).

При рассмотрении изменения микротвердости рабочей поверхности во время испытаний на трение с постепенным ступенчатым повышением внешней нагрузки было выявлено: а) микротвердость поверхностного слоя повышается с ростом давления (рисунок 2, кривая 1), б) при испытании накатанных образцов на трение закономерность роста микротвердости (рисунок 2, кривая 2) совпадает с соответствующей закономерностью для ненакатанных образцов (рисунок 2, кривая 1) после ряда начальных ступеней нагрузки.

Для установления влияния предварительно созданного НДС на служебные свойства антифрикционного сплава АО20-1 была произведена оценка по параметрам трения. Было установлено, что накатывание повышает несущую способность сплава АО20-1 во всем диапазоне нагрузок (до 50%). Период испытаний на трение накатанных образцов до достижения давления q₀ (равного q_max для ненакатанных образцов) сократился в 2 раза. Проведенные испытания позволили выявить значительно различающиеся скорости нарастания износа для накатанных и ненакатанных образцов, а также более низкую текущую скорость изнашивания в почти в 2 раза увеличенном диапазоне давлений для накатанного образца. При достижении давления q₀ износ накатанных образцов оказался в 3,8 раза ниже, чем износ ненакатанных образцов. О полезности применения предварительного накатывания отмечено также в работе [3].

Из проведенного исследования следует, что во время испытаний на трение трибосистемы энергозатратные механизмы формирования совместимости, основанные на подстройке НДС поверхностного слоя, можно в определенной части заменить предварительным накатыванием трибоповерхности. При этом процесс предварительного пластического деформирования поверхности будет проходить в условиях более благоприятных по задиру (повреждаемости), по сравнению с формированием требуемого НДС трением на повышенных нагрузках в процессе эксплуатации. Кроме того, предварительное формирование НДС в поверхностном слое накатыванием позволяет повысить ряд служебных свойств трибоматериалов и обеспечить совместимость трущихся поверхностей в процессе нормальной эксплуатации. Важно отметить, что повышенная прочность глубинных слоев основы сплавов также способствует повышению усталостной прочности всего грузонесущего слоя.

Литература:

1. Буше Н.А. Совместимость трущихся поверхностей./ Буше Н.А., Копытъко В.В. - М.: Наука. 1981. - 127 с.

2. Зелинский В.В. Пластическое равновесие поверхностного слоя при трении // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. - № 4(14). - 2012. - С. 46-49.

3. Зелинский В.В. Модифицирование поверхностного слоя материалов для подшипников скольжения / В.В. Зелинский, Д.Н. Сучилин // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. - № 2(16). - 2013. - С. 54-61.