Качество поверхности металлокерамического материала

Размещено на http://allbest.ru

11

УДК 621.762

Качество поверхности металлокерамического материала

В.П. Тихомиров, А.В. Кондратович, А.Г. Стриженок

Введение

Эксплуатационные свойства инженерных поверхностей определяются их качеством. Под качеством поверхности понимается комплекс параметров, характеризующих топографию поверхности, физико-химические особенности поверхностного слоя и остаточные напряжения в нем.

Спеченные порошковые материалы широко применяются в качестве фрикционных и антифрикционных материалов. Эти сплавы на основе порошка меди или железа изготовляются путем спекания. В состав этих материалов входят такие компоненты, как олово, свинец, дисульфид молибдена, оксид кремния, нитриды бора и др.

Определенное процентное сочетание компонентов, входящих в состав металлокерамического сплава, позволяет получить сплав с требуемыми эксплуатационными показателями.

Топография поверхности

На рис. 1 показана поверхность металлокерамического материала, состоящая из несущего каркаса и пор (затемненные области).

Рис. 1. Поверхность металлокерамического сплава

Количество пор (пористость материала) определяется технологией изготовления спеченного порошкового материала.

При трении без пропитки поверхностного слоя смазочным материалом эти поры служат колодцами, в которые попадают частицы износа, уменьшая тем самым повреждающее действие изношенных частиц на сопряженные поверхности.

При пропитке смазочным материалом поры служат резервуарами масла, препятствуя схватыванию поверхностей.

Рассмотрим топографию поверхности в исходном состоянии. Представленная на рис. 2 профилограмма характеризует профиль поверхности в исходном состоянии.

Рис. 2. Профилограмма поверхности металлокерамической композиции

После приработки вершины выступов сглаживаются, оставляя очертания впадин без изменения (рис. 3).

Рис. 3. Профилограмма поверхности металлокерамической композиции после приработки

Оценим параметры шероховатого слоя после приработки, которые определяют несущую способность и трибологические характеристики поверхностного слоя. На примере представленной профилограммы и опорной кривой профиля поверхности (рис. 4) найдем те параметры, которые еще не входят в ГОСТ 2789-73 и международный стандарт ISO 13565-2:1997.

Для поверхности спеченного материала после шлифования определяют наибольшую высоту неровностей R''_max и максимальную глубину впадин R'_max (рис. 4).

Рис. 4. Профилограмма и опорная кривая профиля

Качество поверхности определяется параметрами шероховатости R_a и R_z. Однако оценка микрогеометрии поверхности спеченного материала только по данным параметрам недостаточна, необходимы дополнительные показатели. Так, для определения параметра, характеризующего микрошероховатость и ее структуру, следует использовать R'' _max и фрактальную размерность 1<D<2. Для определения маслоемкости поверхности Траутвейном [1] предложен метод, основанный на расчете кривой Аббота-Файерстоуна, форма которой квантована параметрами А, В, С (рис. 4).

Маслоемкость (мм³/см²) для площадки в 1 см² определяется по формуле

W=(100-B)(C-A)/2000.

Ширина впадин оценивается по профилограмме:

и=b sinи/ГУ,

где b ? ширина риски по профилограмме; и ? угол наклона риски к оси; ГУ ? горизонтальное увеличение.

Параметры t_p и R_a определены как основные для контроля шероховатости (микрогеометрии) рабочей поверхности. Подлежащие нормированию параметры R_a и S_m являются технологическими, которые необходимо выдержать при предварительной обработке для получения требуемой шероховатости поверхности.

Однако влияние перечисленных и дополнительных параметров шероховатости по ГОСТ 2789--73 на износостойкость и другие триботехнические характеристики поверхностей, получаемых по технологии изготовления спеченного порошкового материала, не исследовано. После приработки (рис. 3) верхняя часть профилограмм сгладилась, а размеры впадин в начале процессов трения и изнашивания остались практически теми же самыми. Таким образом, несущая способность поверхности увеличилась.

Подповерхностные поры в процессе трения соединяются между собой и выходят на поверхность, при этом маслоемкость поверхности увеличивается, что способствует улучшению трибологических показателей. На рис. 5 приведены опорные кривые профиля поверхности металлокерамического материала в исходном состоянии и после приработки. Эти кривые характеризуют распределение материала в шероховатом слое и несущую способность поверхности.

Кривая Аббота-Файерстоуна для приработанной поверхности лежит выше кривой для неприработанной (рис. 5), поэтому несущая способность поверхности увеличивается.

Рис. 5. Опорные кривые профиля поверхности металлокерамического материала: 1 - исходное состояние; 2 - после приработки

Рис. 6. Диаграмма «усилие-деформация» с учетом пластического состояния

Определение физико-механических свойств путем индентирования

На рис. 6 представлена диаграмма «усилие-деформация» при вдавливании шарика в исследуемый материал. А1 ? область между линиями нагружения и разгружения выше оси F = 0, А2 ? область между линией разгружения и осью F = 0, р' ? точка пересечения касательной к кривой разгружения при высокой нагрузке с осью F = 0.

А1 является мерой энергии, затраченной на деформацию и диссипацию при внедрении и разгружении. Сумма А1+ А2 представляет собой работу, совершенную нагружающим устройством и образцом, т.е. максимальную энергию, которая запасается в образце в течение внедрения.

Индекс пластичности запишем в виде

При упругой деформации А1=0, следовательно, индекс пластичности равен нулю. При полностью пластической деформации А2=0, следовательно, индекс пластичности равен единице. В некоторых экспериментах по индентированию представляется возможным определить модуль упругости и твердость исследуемого образца.

Здесь F - усилие; д - деформация; F_max - максимальное усилие; A_max - максимальная площадь отпечатка; в₁ , в₂ - коэффициенты, зависящие от формы наконечника; E' - приведенный модуль упругости; м - коэффициент Пуассона.

Эксперименты проводились на металлокерамических образцах, между которыми размещалась оправка с тремя шариками (рис. 7).

Рис. 7. Образец и оправка с шариками

Опыты с помощью пресса ДМ-30М повторялись три раза, каждый раз на новой поверхности металлокерамической композиции. Усилие измерялось с помощью образцового динамометра ДОС-3. Цена одного деления индикатора составляла 50 Н, а точность измерения деформации - 0,01 мкм.

металлокерамический фрикционный сплав профилограмма

Рис. 8. Зависимость относительной деформации металлокерамического материала (отношение глубины внедрения к диаметру шарика) от усилия: 1 - диаметр шарика 10 мм; 2 - диаметр шарика 12,7 мм

На рис. 8 показана зависимость усилия от относительной деформации металлокерамического материала.

Определение пластической деформации

Пластическая твердость определяется методом вдавливания шариков диаметрами 8, 10 и 12,7 мм [2]. Используя зависимости усилия вдавливания от остаточной глубины вдавливания для разных диаметров шариков D, пластическую твердость можно найти по формуле

где tgг=(F-F₁)/(д- д₁), F и F₁ - произвольные силы вдавливания, д и д₁ - отвечающие им глубины восстановленных отпечатков (при вдавливании шарика в металлокерамический материал упругим восстановлением отпечатка можно пренебречь); г - угол, образуемый линией F(д) c осью д.

Экспериментально установлено, что пластическая твердость металлокерамической композиции при вдавливании в нее шариков разного диаметра оказалась равной 350 МПа.

Определение твердости по Бринеллю

Твердость по Бринеллю - НВ (НВW) - твердость, выраженная отношением приложенной нагрузки F к площади поверхности сферического отпечатка:

· НВ - при применении стального шарика (для металлов и сплавов с твердостью не более 450 единиц);

· НВW - при применении шарика из карбида вольфрама (для металлов и сплавов с твердостью не более 650 единиц).

Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа или других приборов.

Число твердости определяется по формуле

Здесь F - усилие, Н; D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.

При измерении твердости обозначение НВ дополняется индексами, указывающими условия в следующем порядке: цифра перед НВ указывает твердость в МПа, первая цифра после НВ ? диаметр шарика в миллиметрах, вторая - нагрузку в Н и третья - продолжительность выдержки под нагрузкой в секундах.

Например, 3000 НВ 2,5/1838,7/10 означает твердость по Бринеллю, равную 3000 МПа, при испытании шариком диаметром 2,5 мм под нагрузкой 1838,7 Н при выдержке в течение 10 с.

Измерение твердости (по ГОСТ 9012-59) проводилось в механической лаборатории ЦЗЛ Брянского машиностроительного завода. Стальной шарик диаметром 10 мм вдавливался в металлокерамические композиции, изготовленные на «Термотрон-заводе» (г. Брянск). Результаты экспериментов показали, что твердость по Бринеллю изменялась в пределах от 64 до 100 единиц по Бринеллю. Среднее значение твердости составило 820HB (82 HB в кгс/мм²).

Таким образом, твердость металлокерамического материала равна 820HB 10,0/4900/10.

Связь между твердостью по Бринеллю и пластической твердостью для металлокерамического материала может быть принята по аналогии с зависимостью, приведенной в работе [2]. Скорректированная формула для металлокерамического материала имеет вид

Для вычисления критической нагрузки F₀ как функции пластической твердости использован метод однократного вдавливания шарика. В этом случае

 Н.

Можно предположить, что нагрузка F₀ близка к значению критической силы, имеющей смысл условной нагрузки, при которой в центре контакта зарождается пластическая деформация. Полагая, что усилие F₀=F_cr, найдем модуль упругости металлокерамического материала. Критическая сила, соответствующая началу пластической деформации, определяется по формуле Герца:

Здесь д_cr - деформация, соответствующая переходу от упругого состояния контакта к пластическому.

где c - коэффициент; у_T2 - предел текучести металлокерамического материала; Е' - приведенный модуль упругости; D - диаметр шарика.

Путем совместного решения двух предыдущих уравнений найдем приведенный модуль упругости:

Приняв R₁₀=D/2=10/2=5 мм, с=1,295exp(0,736·0,3)=1,615, у_T2=HB/3 = 820/3=273 МПа, получим

МПа.

Итак, модуль упругости металлокерамического материала равен

МПа.

Здесь E₁ - модуль упругости стального шарика; м₁ - коэффициент Пуассона материала шарика; м₂ - коэффициент Пуассона металлокерамического материала.

Таким образом, определены параметры качества спеченного порошкового материала: опорная кривая профиля до и после обработки поверхности, пластическая твердость, твердость по Бринеллю и модуль упругости. Эти параметры необходимы для оценки показателей взаимодействия элементов в контактах «металлокерамика-сталь» и «металлокерамика-металлокерамика».

Список литературы

1. Trautwein, R. Bewertung der Oberflache von Zylindrerlaufbahnen/R. Trautwein//Firmenschrift, Firma Mahle. -Stuttgart, 1972.-S. 82-86.

2. Дрозд, М.С. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации/М.С. Дрозд, М.М. Матлин, Ю.И. Сидякин.-М.: Машиностроение, 1986.-224 с.

Аннотация

УДК 621.762

Качество поверхности металлокерамического материала. В.П. Тихомиров, А.В. Кондратович, А.Г. Стриженок

Рассмотрены топографические и физико-механические параметры качества поверхности спеченного порошкового материала, используемого в качестве фрикционного сплава в предохранительной муфте электромеханического привода. Приведены результаты индентирования шара в металлокерамическую поверхность.

Ключевые слова: качество поверхности, физико-механические свойства, индентирование, металлокерамический материал, топография поверхности.

Размещено на Allbest.ru