asyan.org
добавить свой файл
1 2 3




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.



следующая страница >>