Bлияние покрытий на фрикционные свойства пар трения

3.1 Выбор материала образца

В настоящей главе изложены вопросы методики проведения экспериментов. Для проведения исследований были выбраны образцы из Т14К8 и Р9К5 размером 10105 для резца. Выбор этих материалов был обусловлен широким их применением в качестве режущего инструмента для станков с ЧПУ, а также достаточно высокой ценой на данные материалы на мировом рынке, следовательно, изменение эксплуатационных свойств данного материала за счет нанесения покрытий с различными свойствами является актуальной и перспективной задачей.

Точный химический состав определялись с использованием сканирующего электронного микроскопа JSM-6500F фирмы «JEOL» высокого разрешения [24]. Основные характеристики данного микроскопа приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Характеристики микроскопа JSM-6500f

Ускоряющее напряжение	От 0.5 до 30кВ
Разрешение (изображение во вторичных электронах)	15 ангстр. (1.5нм) при 15 кэВ 30 ангстр. (3нм) в аналитическом режиме (5нА, 15кэВ) 50 ангстр. (5нм) при 1 кэВ
Увеличение	от 10 до 500 000
Сиcтема управления прибором	Персональный компьютер с ОС Windows 2000, удобный и интуитивно понятный графический пользовательский интерфейс
Возможности установки дополнительных детекторов и систем микроанализа	EDS, WDS, CLD, EBSP, EBIC и др.
Перемещение моторизованного столика для образцов с компьютерным управлением	По осям Х, Y, Z, (стандарт) вращение, наклон (по доп. заказу)
Размер образца	До 150мм в диаметре и до 10мм в высоту
Автоматические функции	Автофокусировка, автоконтраст-яркость, автостигматор

Микроскоп JSM-6500F с термоавтоэмиссионным катодом позволяет получить высокий (до 200нА) и стабильный ток зонда, необходимый для микроанализа с использованием не только энергетического, но и волнового спектрометра.

Микроскоп снимает показание с 4-х различных точек, среднее арифметическое и будет показателем марки материала

Первый образец был взят Т14К8 относящийся к твердосплавам. Твердые сплавы представляют собой тугоплавкие, износостойкие металлические материалы, весьма большой твердости; эти свойства сохраняются на достаточно высоком уровне при нагреве сплавов до 900--1000°С, в том числе в процессе эксплуатации инструмента с применением твердых сплавов в режущей части. Твердые сплавы делят на металлокерамические и литые [25,26]. Такое деление обусловливается их применением, составами, формами и структурой, а следовательно, различными физико-химическими свойствами, а также различной технологией производства. Металлокерамические твердые сплавы производят методом порошковой металлургии, Т14К8 относится именно к этой группе.

В качестве второго образца была быстрорежущая сталь-Р9К5. Теплостойкие стали высокой твердости, называемые быстрорежущими,-- наиболее характерные стали, используемые для режущих инструментов [27,28]. Они сочетают теплостойкость (600--700°С) с высокой твердостью (HRC 63-70) и повышенным сопротивлением пластической деформации. В результате применения быстрорежущих сталей стало возможным увеличить скорость резания в 2-4 раза (а более новых сталей с интерметаллидным упрочнением даже в 5-6 раз) и повысить стойкость инструментов в 10-40 и более раз по сравнению с получаемыми для инструментов из нетеплостойких сталей. Эти преимущества быстрорежущих сталей проявляются при резании с повышенной скоростью, в условиях нагрева режущей кромки, или при меньшей скорости, но с высоким давлением.

Для понимания особенностей свойств и области использования быстрорежущих сталей важно, что снижение их твердости на HRC 2--4 по сравнению с получаемой максимальной может сопровождаться ухудшением вязкости, прочности и износостойкости. Поэтому быстрорежущие стали необходимо использовать в состоянии высокой твердости и при работе без больших динамических нагрузок.

3.2 Подготовка микрошлифов

Важнейшим элементом технологии нанесения любых покрытий является подготовка рабочих поверхностей режущего инструмента.

Качество подготовки во многом определяет качество самого покрытия, прочность его сцепления с инструментальной матрицей. Недостаточно тщательная подготовка режущего инструмента перед нанесением покрытия может привести к браку изделия. Наиболее часто встречающимся браком изделия вследствие плохой подготовки инструмента является отслаивание покрытий и, как следствие, низкая эффективность.

Технология подготовки инструмента перед нанесением покрытия включает ряд последовательных операций. В любом случае большое внимание следует уделять очистке поверхности инструмента с тем, чтобы его рабочие части были химически и механически чистыми. При этом исключается наличие окалины после термической обработки, образование коррозионных и оксидных пленок посторонних включений в виде масла и других загрязнений, а также дефектов поверхности инструмента в виде раковин, трещин, задиров и т.д.

Приготовление микрошлифов с покрытием различного состава состоит в вырезании образца, шлифовке и полировке до зеркального блеска [29,30].



Рис. 3.1. поверхность микрошлифа в процессе его приготовления

a) после грубой шлифовки;

b) после резкого перехода на тонкую шлифовку;

c) после травления.

Вырезанный образец затачивался на абразивном круге (зернистостью 46 и 60) с периодическим охлаждением, не допускающим перегрева образца. Заточенный образец шлифовался шлифовальной бумагой с постепенным переходом от бумаги марки № 12 - 3 с зернистостью от 125 до 25 мкм к бумаге марки М-40 - М-5 микронной зернистостью от 28 до 3,8 мкм до полного удаления рисок. При переходе от одного номера зернистости к другому производилась очистка образцов от абразива и менялось направление шлифовки на 90. При подготовке микрошлифов не допускался резкий переход с грубой шлифовки на мелкую, так как в результате этого часто создается ложное впечатление, что шлиф хорошо приготовлен. На самом деле происходит лишь сглаживание вершин гребней, возникающих после грубой шлифовки и заполнение впадин сошлифованным металлом и абразивом, что обнаруживается после травления образца, на котором четко проступают царапины.

Шлифовка образцов производилась вручную, когда шлифовальная бумага кладется на ровные плоские плиты (стекло, мрамор), возможен также вариант шлифовки на специальных станках с закреплением шлифовальной бумаги на вращающихся дисках или лентах, но в данном случае этот метод не использовался. После окончательной шлифовки образец тщательно очищался от абразива и полировался до полного исчезновения рисок. Для полировки образцов, кроме шлифовальной бумаги применялись специальные пасты. Паста ГОИ, в состав которой входит окись хрома, стеарин, олеиновая кислота, сода, керосин, наносилась на мягкое сукно. Полировка производилась вручную с периодическим контролем поверхности микрошлифа визуальным методом.

Помимо механической полировки, существуют ряд прогрессивных методов, таких как: химико-механическое полирование, при котором в состав полирующей смеси вводится химически активное вещество, воздействующее на поверхность образца и ускоряющее процесс полирования; метод электрохимического полирования, при котором образец в качестве анода помещают в электролитическую ванну. Состав электролита (фосфорная, серная, хлорная кислота), материал пластины катода (свинец, медь, алюминий, цинк) и плотность тока на аноде (образце) зависят от полируемого материала. При пропускании тока все неровности оставшиеся после шлифовки образца, растворяются и образец приобретает ровную зеркальную поверхность.

3.3 Технологический процесс нанесения покрытий

Качество и надежность ионно-плазменных нитридных покрытий определяется совокупностью технологических параметров напыления (давление газа, опорное напряжение, ток дуги, температура подложки). Нанесение покрытий на образцы проводилось на установке типа ННВ-6,6-И1, которая предназначена для нанесения защитных и упрочняющих покрытий на изделия машиностроения; режущий инструмент, штамповую оснастку. Эти покрытия повышают износостойкость и увеличивают ресурс работы наиболее важных элементов различного оборудования за счет повышения эрозионной, коррозионной и абразивной стойкости используемых конструкционных материалов.

Для покрытия инструмента из быстрорежущей и инструментальной стали, твердосплавного и паяного твердосплавного инструмента используют покрытия TiN, TiCN, TiAlN, MoS2, CrN, B4C, DLC с толщиной до 5 микрон. Инструмент с такими покрытиями используется для обработки сталей, чугуна, силумина, меди, бронзы, алюминия.

Процесс нанесения покрытия можно рассматривать как состоящий из двух этапов: подготовка оборудования и оснастки к работе и непосредственно формирование покрытия.

1. Подготовка оборудования и оснастки к работе.

Подготовку оборудования и оснастки проведенную в данной работе можно описать последовательностью следующих действий:

Перед открытием вакуумной камеры прогреть камеру до температуры 60-80°С. Прогрев вакуумной камеры предназначен для предотвращения конденсации и удаления паров воды с поверхности стенок камеры, а также для обезгаживания в процессе откачки.

Включить форвакуумные насосы, нажав на кнопки «Форвакуумный насос I» и «Форвакуумный насос II».

Таблица 3.2.

Основные технические данные установки ННВ-6,6-И1

1.	Размеры рабочей камеры, мм диаметр высота	600+30 600-20
2.	Количество электродов токоподводящих с магнитной фокусировкой плазменного потока и электронным бесконтактным поджигом, шт	3
3.	Максимальная допустимая нагрузка на ось сателлита механизма вращения, кг	10
4.	Точность регулирования автоматического натекателя, % от диапазона шкалы	2,5
5.	Длительность цикла упрочнения инструмента, ч	до 2,5
6.	Скорость осаждения покрытия (нитрида титана), мкм/ч	от 13 до 40
7.	Номинальный ток высоковольтного источника питания подложки, А	20
8.	Диапазон плавного регулирования величины напряжения высоковольтного источника питания подложки, В	от 100 до 1500
9.	Диапазон плавного регулирования величины напряжения низковольтного источника питания подложки, В	от 20 до 280
10.	Потребляемая мощность, кВт	50+5
11.	Остаточное давление в камере, Па (мм.рт.ст.)	6,6510-3-6,6510-1 (510-5-510-3)
12.	Габаритные размеры установки, мм длина ширина высота	3600 3900 2070
13.	Масса установки, т	3,1

Открыть вакуумный клапан откачки диффузионного насоса, нажав кнопку «Высоковакуумная откачка». Включить электронагреватель диффузионного насоса, нажав на кнопку «Диффузионный насос».

Приспособление для установки инструмента протереть бензином, а затем спиртом.

Открыть вентиль - натекатель вакуумной камеры и напустить в неё воздух. Открыть дверцу вакуумной камеры.

Установить приспособление с образцами в камеру и укрепить его. Загрузка образцов в вакуумную камеру осуществлялась в перчатках из хлопчатобумажной безворсовой ткани.

Закрыть дверцу вакуумной камеры, закрыть вакуумный клапан "Высоковакуумная откачка" и открыть вакуумный клапан форвакуумной откачки, нажав на кнопку «Форвакуумная откачка». При достижении давления в камере 510-1 мм.рт.ст. по показанию вакуумметра ВИТ-3 открывается вакуумный вентиль «Параллельная работа».

После достижения в вакуумной камере давления 510-2-110-2 мм.рт.ст. и прогрева диффузионного насоса, закрывается вакуумный клапан форвакуумной откачки, открывается клапан «Высокий вакуум» и открывается электромеханический затвор диффузионного насоса.

При достижении давления в вакуумной камере 110-4 мм.рт.ст. отключается нагрев воды и включается подача холодной воды.

Открыть баллон с газом, тумблер «Газ» поставить в положение «Автоматическое», открыть клапан напуска газа в камеру и потенциометром отрегулировать давление 310-3 мм.рт.ст. Затем клапан напуска газа закрыть, камеру откачать до необходимого давления.

2. Процесс формирования покрытия.

Процесс формирования покрытий на образцы также можно описать последовательностью действий:

Ионная очистка и нагрев инструмента.

Подать напряжение на тиристорный регулятор (РНТТ), включив тумблер «Источник питания» и нажав на кнопку «Ток», проверив, чтобы ручка потенциометра «Регулирование напряжения» была выведена в крайнее левое положение, т.к. включение и отключение источника высокого и опорного напряжения при сигнале управления на РНТТ, не равном нулю, может повлечь выход источника питания высокого напряжения из строя.

Ручкой потенциометра «Регулирование напряжения» установить на подложке напряжение 1,5 кВ.

На блоках БA-12 включить тумблеры «Сеть». Потенциометрами «Фокусирующая катушка» был установлен ток в фокусирующих катушках 0,2 А, потенциометрами «Стабилизирующая катушка» был установлен первоначальный ток в стабилизирующих катушках 0,2 А, а после загорания дуги - 0,8 А.

Включить тумблер «Сварочные выпрямители» и на блоках БА-12 включить один из испарителей. Величина тока дуги при испарении титана составляла 90 А. Длительность горения дуги контролировалось по величине тока в цепи катод - изделие по амперметру на стойке управления и по степени вакуума в рабочей камере установки. Импульсный прогрев производился до прекращения возникновения микродуг на упрочняемых изделиях путем включения каждого испарителя.

Формирование слоя покрытия.

Для перехода к процессу осаждения, потенциометром «Регулирование напряжения» снизить напряжение до минимума, отключить высокое напряжение и кнопкой «Опорное напряжение» подать на подложку опорное напряжение. Опорное напряжение устанавливалось в размере 250 В, не выключая испарители. Подать легирующий газ в вакуумную камеру, переведя тумблер «Газ» в положение «Автомат». Потенциометром «Автомат» устанавливалось необходимое давление в вакуумной камере.

Потенциометрами «Стабилизирующая катушка» был установлен ток в стабилизирующих катушках электродуговых испарителей 0,7- 0,8 А.

Ток дугового испарителя был установлен в размере 90 A.

Охлаждение изделий и выгрузка.

После окончания процесса формирования покрытий необходимо произвести следующие операции: выключить испарители, нажатием на кнопки «Выкл» на блоках БА-12. Потенциометр «Регулирование напряжения» вывести в крайнее левое положение, отключить источник питания и РНТТ, нажав на стопорные кнопки «Опорное напряжение» и «Ток». Отключить тумблеры «Источник питания», «Сварочный выпрямитель», выключатели «Сеть» на блоках БА-12. Прекратить подачу легирующего газа в вакуумную камеру, переведя тумблер «Газ» в положение «Ручное» и нажав на стопорную кнопку «Газ».

Отключить механизм вращения, нажав на кнопку «Стоп».

Охладить изделия в вакуумной камере до температуры ниже 200°С.

Напустить в прогретую вакуумную камеру воздух, нажав на кнопку «Воздух». Произвести выгрузку изделий.

По окончании выгрузки закрыть вакуумный вентиль напуска воздуха.

Отключение установки.

Отключение установки.

Параметры процесса осаждения покрытий, при проведении экспериментальных исследований, сведены в таблицу 3.3

Таблица 3.3.

Параметры исследуемого технологического процесса

№ оп	Покрытие	Р, мм.рт.ст.	Uтл.р., В	tтл.р, мин	Uи.б. , В	tи.б, мин	Uопор., В	Iи.б., Iопор., А	tнап, мин
1	TiNx1 (реж.1)	310-3	1500	2-2,5	500 - 1000	1,5-2	250	90	20
2	TiNx1 (реж.2)	310-4	1500	2-2,5	500 - 1000	1,5-2	250	90	20

3.4 Измерение шероховатости, образцов с покрытиями

Поверхность твердого тела, даже хорошо отшлифованного, далеко не ровная. На ней имеются микровыступы, впадины, трещины; часто эта поверхность покрыта окислами, прилипшими слоями газа или жидкости, посторонними включениями. Естественно, что зацепление этих выступов будет препятствовать перемещению соприкасающихся тел друг относительно друга.

Для получения более достоверных данных нам необходимо измерить шероховатость поверхности образцов до нанесения покрытия и после, для этого мы используем аппарат профилограф-профилометр тип AI модель 252 .

Профилограф-профилометр тип AI (ГОСТ 19299-73 и ГОСТ 19300--73) модель 252 является высокочувствительным прибором и предназначен для измерения в лабораторных условиях шероховатости и волнистости поверхности изделий, сечение которых в плоскости измерения представляет прямую линию.

Технические характеристики данного аппарата.

Параметры шероховатости поверхности, определяемые по показывающему устройству:

Ra -- среднее арифметическое отклонение профиля;

Нmax-- высота наибольшего выступа профиля;

Hmin-- глубина наибольшей впадины профиля;

tp -- относительная опорная длина профиля;

n -- число шагов неровностей в пределах длины трассы ощупывания при измерении (по базовой линии).

Вид отсчетного (показывающего) устройства - цифровое

Вид регистрирующего (записывающего) устройства записывающий прибор с электротермической записью в прямоугольной системе координат

Диапазон измерений:

а) профилографа, 0,02 ....250 мкм;

б) профилометра по параметрам:

Ra 0,02... 100 мкм;

Hmax, Hmin 0,1 ... 100 мкм;

tp 0... 100%;

n до 1000

Уровни сечения профиля при измерении:

tp, % 10; 20; 30;

40; 50; 60;

70; 80; 90

Вертикальное увеличение профилографа 200; 500; 1000;

2000; 5000; 10000;

20000; 50000; 100000

Горизонтальное увеличение профилографа 0,5; 1; 2; 5; 10;

20; 50; 100; 200;

500; 1000; 2000

Характеристики основной приведенной погрешности, %

а) вертикальных и горизонтальных увеличений профилографа:

предел допускаемой систематической составляющей 2,5;

предел допускаемого среднего квадратического

отклонения случайной составляющей 0,6;

б) профилометра: предел допускаемой систематической составляющей при измерении: Ra 5;

Hmax, Hmin, tp, n 15;

предел допускаемого среднего квадратического отклонения случайной составляющей при измерении:

Ra 1;

Hmax, Hmin , tp, n 4;

Максимальная длина трассы ощупывания профилографа, 50 мм;

Ширина записи, 50 мм;

Скорости трассирования датчика, мм/мин 0,6;6;60;

Значения отсечек шага 0,08; 0,25; 0,8; 2,5;

Длина трасс ощупывания при измерении (профилометра), мм 1, 5;3; 6;

Радиус кривизны вершины щупа, мкм 10±2,5;

Измерительное усилие ощупывающей иглы, Н, не более 0,016;

Постоянная изменения измерительного усилия, Н/м, не более 800;

Радиус кривизны рабочей части опоры датчика в плоскости, перпендикулярной измеряемой поверхности и параллельной направлению движения датчика, 125 мм

УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПРИБОРА ПРОФИЛОГРАФ-ПРОФИЛОМЕТРА

Прибор (рис. 3.2) состоит из отдельных блоков:

а) стойки;

б) мотопривода;

в) блока питания;

г) блока измерительного;

д) блока счетно-решающего;

е) датчиков;

ж) предметного стола;

з) прибора записывающего.

На стойке 1 размещен мотопривод 2, на котором, с помощью специального разъема, закрепляется датчик 3 (или 4).

На стол стойки устанавливается предметный стол 5, позволяющий перемещать измеряемую деталь в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Для установки датчика на измеряемую поверхность мотопривод с помощью ходового винта перемещается по направляющим стойки.

Усиление и преобразование электрических сигналов с датчика, а также управление работой прибора осуществляется блоком питания 6 и блоком измерительным 7.

Эти блоки связаны соединительными шлангами 8 с мотоприводом, блоком счетно-решающим 9, предназначенным для обработки электрических сигналов и выдачи результатов измерения на цифровое отсчетное устройство, и с записывающим прибором 10, который служит для записи на диаграммную ленту результатов измерения неровностей исследуемой поверхности.

Для расширения эксплуатационных возможностей прибор снабжается датчиком для измерения шероховатости поверхности малых отверстий и пазов, стойкой с прямолинейной опорой, приспособлением для измерения волнистости и призмой для проверки цилиндрических деталей.

Действие прибора основано на принципе ощупывания неровностей исследуемой поверхности алмазным щупом 13 датчика и преобразования, возникающих при этом, колебаний щупа в изменения напряжения, пропорциональные этим колебаниям.

Прибор может быть использован для работы в качестве:

а) профилографа;

б) профилографа при записи измеряемого профиля с использованием фильтров отсечки шага;

в) профилометра.

При работе прибора в качестве профилографа переключатель S3 устанавливается в положение «ЗП». Переключатель S5 (вертикальное увеличение) может быть установлен в любом из 9 положений от 200 до 100 тыс. крат.

Кнопкой S1 (пуск) включается электродвигатель перемещения датчика и начинается измерение.

Сигнал с датчика поступает на входной усилитель, к выходу которого подключен делитель, определяющий вертикальное увеличение.

С делителя сигнал поступает на первый усилитель несущей частоты, полосовой фильтр, второй усилитель несущей частоты и, после фазового детектора, на усилитель мощности, к выходу которого подключена измерительная система, преобразующая электрический сигнал в механические колебания пера записывающего прибора.

При установке переключателя S3 в положение «ЗФ» (запись с фильтрами) прибор дает возможность записывать исследуемый профиль с проведением частотного анализа при помощи RC -- фильтров отсечки шага.

Связь между шагом неровностей и частотой сигнала определяется соотношением:

где: V -- скорость трассирования датчика--мм/с

л -- шаг неровностей профиля -- мм

f -- частота следования неровностей профиля-- 1/с.

Минимальный шаг записываемых неровностей профиля определяется верхней граничной частотой записывающего прибора.

Максимальный шаг записываемых неровностей профиля определяется характеристикой RC -- фильтров.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

1. Использование прибора в качестве профилографа

При работе прибора в качестве профилографа необходимо учитывать, что радиус опоры, базируемый на измеряемую поверхность, должен быть не менее 50 значений базовой длины, используемой при обработке профилограммы.

В случае использования базовой длины более 2,5 мм следует пользоваться независимой опорой.

12.1.1. Работа производится в следующей последовательности:

а) включите прибор (см. рис. 3.2) кнопкой 12 блока питания;

б) установите деталь на предметный стол 5 или в приспособление;

в) установите ручку переключателя «Род работы» в положение «ЗП» или «ЗФ»;

г) установите ручкой мотопривода необходимую скорость движения датчика;

д) установите рукояткой скорость перемещения диаграммной ленты в соответствии с требуемым горизонтальным увеличением

е) установите ручку переключателя «Вертикальное увеличение» в положение, соответствующее вертикальному увеличению 200;

ж) установите датчик на измеряемую поверхность; для этого вращением маховика плавно опускайте датчик на измеряемую поверхность до тех пор, пока перо записывающего прибора окажется в поле записи диаграммной бумаги, после чего застопорите маховиком , каретку с мотоприводом;

з) увеличивайте, поворотом ручки переключателя 14, вертикальное увеличение прибора до необходимого;

и) нажмите кнопку прибора записывающего;

к) нажмите кнопку (зеленого цвета) блока питания для записи шероховатости измеряемой поверхности.

л) при записи с фильтрами, перед измерением, установите ручкой переключателя требуемую отсечку шага.

Параллельность измеряемой поверхности траектории движения каретки мотопривода устанавливается наклоном стола 4, маховиком 7. Отклонение от параллельности выражается записью неровностей со значительным наклоном к продольной оси диаграммной ленты. Перо записывающего прибора можно устанавливать в поле записи бумаги с помощью ручек подстроечных . Длину трассы ощупывания определяет оператор. Нажатием кнопки (красного цвета) можно остановить движение датчика в любом месте трассы. После нажатия кнопки «R» (реверс) датчика вернется в исходное положение.

Если измерение производится с нажатой кнопкой «R», то датчик будет возвращаться в исходное положение каждый раз после нажатия кнопки 22.

В противном случае нажатием кнопки 21 можно продолжить измерение с того места, на котором был остановлен датчик.

Примечание. После реверса датчика, из-за выбора люфтов в механизме мотопривода, начало записи на диаграммной ленте на 0,1--0,3 мм опережает начало хода датчика в исследуемой поверхности. Это опережение на диаграммной ленте записывается прямой линией.

4. Экспериментальные исследования фрикционных свойств покрытий

4.1 Экспериментальные исследования химического состава образцов

Экспериментальные исследования химического состава покрытий проводилось согласно методике, представленной в главе 3, с использованием сканирующего электронного микроскопа JSM-6500 фирмы «JEOL» высокого разрешения.

Первый образец был из Т14К8, относящимся к твердосплавам. Микроскоп снял показание с 4-х различных точек, среднее арифметическое значения и стало показателем.

В табл. 4.1 представлено средне арифметическое значение снятое с 4-х точек сплава.

Таблица 4.1

Химический состав первого образца

Химический состав
W	Ti	Co	Fe	V	Ca	S	Si	Al
76,43	12,6	7,5	1,2	0,27	0,43	0,35	0,73	0,47

Из полученных данных мы можем точно видеть, что выбранный нами материал относится к сплавам Т14К8 и в таблице 4.2 приведены его основные характеристики и состав [25].

Второй образец из Р9К5-быстрорежущая сталь. Полученные данные при измерении с использованием сканирующего электронного микроскопа JSM-6500F указаны в таблице 4.3.

Таблица 4.2

Состав и свойства сплава Т14К8

Марка сплава	Химический состав	Твердость HRA кгс/мм2, не менее	Средний уизг при изгибе кгс/мм2, не менее	Плотность г/см3	Характерные особенности
	WC	TiC	Co
Т14К8	78	14	8	89,5	125	11,2-11,6	Средняя износостойкость и скорость резания; достаточно высокая эксплутационная прочность.

Таблица 4.3

Химический состав второго образца

Химический состав
С	Fe	W	Co	Cr	V	Ca	S	Si
0,9	75,2	8,7	7,5	4,2	1,95	0,43	0.03	0,55

Из полученных данных мы можем точно видеть, что выбранный нами материал относится к сплавам Р9К5 и в таблице 4.4 приведены его основные характеристики и состав

Таблица 4.4

Состав и свойства сплава Р9К5

Марка сплава	Химический состав	Твердость HRC, не менее	Средний уизг при изгибе МПа, не менее
	W	Co	60-63	840
Р9К5	9	5

4.2 Экспериментальные измерение шероховатости

Экспериментальные исследование шероховатости поверхности покрытий проводилось согласно методике, представленной в главе 2, с использованием профилографа-профилометра типа AI модель 252 .

Профилограф-профилометр тип AI (ГОСТ 19299-73 и ГОСТ 19300--73) модель 252 является высокочувствительным прибором и предназначен для измерения в лабораторных условиях шероховатости и волнистости поверхности изделий, сечение которых в плоскости измерения представляет

Измерение шероховатости проводились для получения достоверных данных до нанесения покрытия и после. Измерения снимались со всех сторон образца, позже все образцы были пронумерованы.

Таблица 4.5

Показания профилографа-профилометра до нанесения покрытия

Марка материала	Значения Ra
№ п/п	1	2	3	4
Т14К8	0,55-0,66	0,36-0,41	0,60-0,62	0,53-0,64
Р9К5	0,21-0,42	0,36-0,62	0,37-0,53	0,73-1,05

Для нанесения покрытия при режиме Р=3.10-3 были выбраны образцы №2,3-Т14К8, №1,4-Р9К5, а при Р=3.10-4были выбраны №1,4-Т14К8, №2,3-Р9К5 ( табл. 4.6).

По данным исследования видно, что значения Ra до на нанесения покрытия и после практически не изменилась

Таблица 4.6

Показания профилографа-профилометра после нанесения покрытия

TiN0,960	Т14К8	Р9К5
	№ 2	№ 3	№ 1	№ 4
Значения Ra	0,33-0,41	0,50-0,59	0,32-0,42	0,36-0,73
TiN 0,779	№1	№4	№2	№3
Значения Ra	0,54-0,60	0,50-0,59	0,40-0,60	0,32-0,45

4.3 Экспериментальные исследования фрикционных свойств

Измерения проводились на установке рис 4.1, сконструированной в лаборатории Ташкентского государственного авиационного института.

Рис 4.1. Принципиальная схема трибометра

1-образец; 2-обрабатываемый материал, 3-тележка, 4- двигатель постояного тока, 5-груз, 6-граммометр, 7-колея

Тележка равномерно движется, что обеспечивается двигателем постоянного тока, к ней прикреплена пластинка (обрабатываемый материал) на пластинке лежит исследуемый образец, который прикреплен тросом к граммометру. Образец придавлен грузом (Р), для получения достоверных данных эксперимента мы меняем массу груза. Какое-то время исследуемый образец будет двигаться в одну сторону с тележкой, при этом рычаг граммометра будет отклоняться. Когда образец с грузом начнет равномерно двигаться в противоположном направлении, будет означать, что образец преодолел силу трения Fтр. Значение силы трения будут видны из показания граммометра. Для эксперимента использовался граммометр часового типа с ценной деления от 10-60г.

Далее полученные результаты считались по формуле:

, где

fтр -коэффициент трения;

Fтр-сила трения;

Р- давление (в нашем случае вес груза, устанавливаемого на образец)

Для достоверности эксперимента, испытание производились пять раз, результирующим значением было среднее значение Fтр.

Так же был проведен эксперимент с образцом без покрытия при тех же условиях. В качестве пластинки по которой движутся образцы были выбраны титан (ОТ4), алюминий (Д16Т), сталь (СТ3), они исполняли роль обрабатываемого материала. Данные материалы были выбраны не случайно так как они широко применяются в авиастроении.

Данный эксперимент проводился, как при комнатной температуре (без нагрева), так при температуре обрабатываемого материала t=2000C (с нагревом).

В первую очередь был исследован образец Т14К8 без покрытия при комнатной температуре, мы последовательно увеличивали нагрузку Р на образец, сравнивая полученные результаты мы вывели среднее арифметическое показание коэффициента трения (табл. 4.7 и рис.4.1.)

Таблица 4.7

Изменение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала и величины нагрузки (Р)

Вес груза Р, гр	Обрабатываемый материал
	Сила трения Fтр, гр	Коэффициент трения fтр
	ОТ4	Д16Т	ст3	ОТ4	Д16Т	Ст3
20	8,5	6	5	0,425	0,3	0,25
30	12	8,2	7	0,4	0,273333	0,233333
60	21	17	15	0,35	0,283333	0,25
110	48	38	38	0,436364	0,345455	0,345455
Среднее значение коэффициента трения fтр	0,402841	0,30053	0,269697

Рис 4.2. Измерение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала

Для изучения влияния нестехиометрии покрытий на фрикционные свойства, был проведен такой же эксперимент, при тех же условиях только в качестве образцов были сплав Т14К8 с нестехиометрическими покрытиями TiN0.96 и TiN0.779. Результаты приведены в табл. 4.9, и на рис. 4.3.

Таблица 4.9

Измерение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала и нестехиометрического состава покрытий

Нестехиометрический состав покрытий	Коэффициент трения fтр
Обрабатываемый материал	ОТ4	Д16Т	Ст3
TiN0.96	0,34	0,23	0,36
TiN0.779	0,34	0,32	0,24

На рис. 4.3. показаны зависимости коэффициента трения fтр от обрабатываемого материала. Из графика мы видим что сплавы без покрытия имеют более высокий коэффициент трения.

Рис 4.3. Зависимость коэффициент трения fтр от нестехиометрического состава покрытия и обрабатываемого материла

Так же из рис. 4.3 видно, что для обработки алюминия лучше использовать резец с покрытием ТiN 0,96. Самый низкий коэффициент трения имеет пара TiN0.779-Ст3

Далее был проведен эксперимент со вторым видом образцов из Р9К5, на которые также были нанесены нестехиометрические покрытия (табл.4.10, рис.4.4). Эксперимент проводился в таких же условиях.

Таблица 4.10

Измерение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала и нестехиометрического состава покрытий

Нестехиометрический состав покрытий	Коэффициент трения fтр
Обрабатываемый материал	ОТ4	Д16Т	Ст3
TiN0.96	0,32	0,21	0,23
TiN0.779	0,31	0,23	0,22

Из полученных данных что покрытия нанесенные на Р9К5 имеют более низки коэффициент трения чем Т14К8. но также мы можем наблюдать такую картину, что самый низкий коэффициент трения, что для Р9К5 и Т14К8 имеет пара TiN0.96-Д16Т.

Так как в процессе резания происходит нагрев заготовки и режущего инструмента, нам необходимо выяснить как влияет температура на коэффициент трения.

Для данного эксперимента мы нагрели образец и обрабатываемый материал до t=2000C, измерение температуры происходило с использованием термопары. В данном эксперименте так же участвовали сплавы Р9К5 и Т14К8. (табл. 4.11-4.12, рис. 4.5-4.7)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 4.4. Зависимость коэффициент трения fтр от нестехиометрического состава покрытия и обрабатываемого материла

Как и на первом этапе эксперимента в первую очередь мы рассмотрим коэффициент трения между Т14К8 (без покрытия) и обрабатываемым материалом.

Таблица 4.11

Изменение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала и величины нагрузки (Р) (t=2000C)

Вес груза Р, гр	Обрабатываемый материал
	Сила трения Fтр, гр	Коэффициент трения fтр
	ОТ4	Д16Т	Ст3	ОТ4	Д16Т	Ст3
20	11	8	6	0,55	0,4	0,3
30	13,5	10,4	10	0,45	0,35	0,33
60	22	21	16,9	0,37	0,35	0,28
Среднее значение коэффициента трения fтр	0,45	0,36	0,31



Рис 4.5. Изменение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала (t=2000C)

По экспериментальным данным мы видим, что коэффициент трения с нагревом увеличился.

Как изменяется коэффициент трения в зависимости от нестехиометрического состава покрытия на сплав Т14К8 при нагреве образцов рассмотрена в (табл. 4.12, рис. 4.6).

Таблица 4.12

Измерение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала и нестехиометрического состава покрытий при t=2000C

Нестехиометрический состав покрытий	Коэффициент трения fтр
Обрабатываемый материал	ОТ4	Д16Т	Ст3
TiN0.96	0,36	0,31	0,3
TiN0.779	0,43	0,36	0,3



Рис 4.6. Зависимость коэффициент трения fтр от нестехиометрического состава покрытия и обрабатываемого материла t=2000C

Из рис. 4.6. видно, что при нагреве на t=2000C коэффициент трения для образцов с покрытие и без него по Ст3 практически одинаков. Как и без нагрева наименьший коэффициент трения имеет пара TiN0.96-Д16Т.

Сплавы из Р9К5 с покрытиями мы также нагрели, и получили следующие результаты (табл. 4.13, рис. 4.7).

Таблица 4.13

Измерение величины коэффициента трения в зависимости от марки обрабатываемого материала и нестехиометрического состава покрытий при t=2000C

Нестехиометрический состав покрытий	Коэффициент трения fтр
Обрабатываемый материал	ОТ4	Д16Т	Ст3
TiN0.96	0,397	0,29	0,294
TiN0.779	0,394	0,334	0,272



Рис 4.7. Зависимость коэффициент трения fтр от нестехиометрического состава покрытия и обрабатываемого материла t=2000C

На рис. 4.7.наблюдается иная картина коэффициент трения по ОТ4 не зависит от нестехиометрического состава покрытий.

Выводы

Ионно-плазменным методом были получены покрытия с нестехиометрическими составами TiN0,96 и TiN0,779. и изучено их влияние на фрикционные свойства.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. изменение нестехиометрического состава весьма существенно влияет на эксплутационные свойства покрытий, в частности на фрикционные свойства;

2. нестехиометрический состав оказывает влияние на коэффициент трения, так например при обработке Ст3 коэффициент трения fтр=0,358712 для Т14К8+TiN0,96 и fтр=0,241667 для Т14К8+TiN0,779;.

3. коэффициент трения зависит не только от состава покрытия, но и от материала основы (подложки);

4. наименьший коэффициент трения установлен при обработке сплава Д16Т режущим инструментом из Р9К5 с покрытием нестехиометрического состава TiN0,96 fтр=0,210795, а при обработке сплава ОТ4- TiN0,779 fтр0,307765.

Список использованной литературы

1. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. -Изд. 6-е. - М.: Металлургия, 1986.

2. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. -М.: Металлургия, 1976.

3. Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Гинсбург А.Г., Игнатьев З.В. Расчет, испытание и подбор фрикционных пар. -М.: Наука, 1979.

4. Машков Ю.К. Трибология конструкционных материалов. -Омск: ОмГТУ, 1996.

5. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. -Киев: Наукова думка, 1980.

6. Специальные материалы в машиностроении: Учебник для вузов./ Под ред. Ю.П. Солнцева. - С. -Петербург: Химиздат, 2004.

7. Чичинадзе А.В., Матвиевский Р.М., Браун Э.Д. Материалы в триботехнике и в нестационарных процессах. - М.: Наука, 1986.

8. Материаловедение и конструкционные материалы: Справочник./ Под ред. В.А. Белого. -Минск: Высшая школа, 1989.

9. Машков Ю.К. и др. Полимерные композиционные материалы в триботехнике. - М.: Недра. 2004.

10. Барвинок В. А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990. 384с.

11. Верещака А. С., Третьяков И. П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1986. 192с.

12. Волин Э. М. Ионно-плазменные методы получения износостойких покрытий //Технология легких сплавов. 1984. N 10. С.55-74.

13. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982. 72с.

14. Прогрессивный обрабатывающий инструмент и методы повышения его качества / Под. общ. ред. Кершенбаума В. Я. Центр "Наука и техника".М.,1991.377с.

15. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. /Под. общ. ред. Ю. Н. Внукова Киев.: Тэхника, 1992. 143 с.

16. Сайдахмедов Р. Х., Карпман М.Г., Фетисов Г. П. Многокомпонентные нитридные ионно-плазменные покрытия на основе титана, ванадия и хрома // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. N 9.С. 8-10.

17. Белый А. В., Карпенко Г. Д., Мышкин Н. К. Структура и методы формирования поверхностных слоев. М.: Машиностроение, 1991. 208 с.

18. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме / Костржицкий А. И., Карпов В.Ф., Кабанченко М. П., Соловьева О. Н. М.: Машиностроение, 1991. 176 с.

19. Ховсепян П. Е., Букеев А. И., Кынев М. Й. Серия установок для нанесения покрытий методом электродугового ионно-плазменного испарения в вакууме // Новые процессы и оборудования для газотермического и вакуумного покрытия. Киев, 1990. С. 101-105.

20. www.ulvac.ru

21. Мацевитый В.М. Покрытия для режущих инструментов. Изд. Харьковского государственного университета. 1987. 128 с.

22. Барвинок В.А., Богданович В. И., Бунова Г. З. Основы управления технологическим процессом нанесения плазменных покрытий в вакууме // Прогрессивные методы в технологии производства авиадвигателей. Куйбышев. 1986. С.76-84.

23. Верещака А. С., Третьяков И. П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1986. 192с.

24. www.jeol.ru

25. Под ред. Баженова М.Ф. Твердые сплавы// М.: Металлургия. 1978 с.182

26. Сайдахмедов Р. Х., Карпман М. Г., Фетисов Г. П. Многокомпонентные нитридные ионно-плазменные покрытия на основе титана, ванадия и хрома. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. N 9.С. 8 - 10.

27. Геллер Ю.А. Инструментальные стали// М.: Металлургия. 1975 с.584

28. Под ред. Раскатова В.М. Машиностроительные материалы// М.: Машиностроение. 1980 с.491

29. Под ред. Сорокина В.Г. Марочник талей и сплавов//М.: Машиностроение. 1989 с.640

30. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. 6-е изд. М.: Металлургия, 1989. 456с

Размещено на Allbest.ru

...