Оптимизация износостойкости композитов по их установившейся шероховатости

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.3.004.67:621.35.035.4

Оптимизация износостойкости композитов по их установившейся шероховатости

Ю.Е. Кисель

А.С. Горьков

Аннотация

Исследована износостойкость композиционных электрохимических покрытий в условиях абразивного изнашивания. Определено оптимальное содержание дисперсной фазы в композите с точки зрения соотношения прочности дисперсной фазы и матрицы. Установлены зависимости между износостойкостью и шероховатостью поверхности композитов при изнашивании.

Ключевые слова: композиционные электрохимические покрытия, электролитические сплавы, структура, механические свойства, износостойкость, дисперсная фаза, шероховатость.

Согласно моделям классической усталостной теории, «лепестковой» теории изнашивания Н.П.Су, термофлуктуационной теории С.Н. Журкова и В.Р. Регеля, адгезионной Е.Арчарда и Е.Хорнбогена, энергетической Г.Флейшера и Г.Грегера, трение и изнашивание обусловлено сочетанием свойств материала матрицы и частиц, их поверхностной энергией, структурными особенностями, внешними условиями контактирования [1; 2]. Вместе с тем в ряде работ в качестве первопричины выдвигается формирование твердыми включениями благоприятного рельефа поверхности контртела [3]. Анализ условий повышения износостойкости чистых покрытий и композиционных электрохимических покрытий (КЭП) в различных условиях испытаний показал, что триботехнические свойства теснейшим образом связаны с прочностью взаимодействующих разнородных материалов, составляющих композицию [4-6].

Необходимо было сопоставить шероховатость изнашиваемой поверхности, объемное содержание и размер дисперсной фазы (ДФ) с целью выявления их влияния на износостойкость КЭП в условиях абразивного изнашивания.

КЭП получали из железоникелевого электролита-суспензии (ЭС). В качестве ДФ служили микропорошки электрокорунда промышленного изготовления (марок М14, М20). Подробная технология получения покрытий и методика исследования их физико-механических свойств изложены в работах [9; 10]. В исследованиях абразивной износостойкости КЭП использовали пластины 30301 мм из стали Ст 3, на которые наносили покрытия толщиной 0,50,1 мм. Исследования абразивной износостойкости проводили в соответствии с ГОСТ 23.208-79 на специально разработанной установке [7]. Время проведения испытаний определялось необходимостью получения ощутимой величины износа (J, мг), который определяли весовым методом с погрешностью 510^-8 кг. Профилограмму внешней части поверхности шероховатого слоя покрытий, подвергнутых износу в массе абразива (речной песок), получали на приборе «MarSurf PS1». Опытные данные обрабатывали методами математической статистики. Для построения функциональных зависимостей использовали регрессионный анализ [8].

При исследовании абразивной износостойкости КЭП было установлено, что их износ в контакте с нежесткозакрепленным абразивом при установившемся изнашивании в значительной мере зависит от размеров и объемного содержания дисперсных частиц в покрытии (V). Износ КЭП с ростом содержания ДФ в покрытии уменьшался и проходил через минимум при содержании микропорошков порядка 18…25 % (об.) (рис.1а). При содержании ДФ в покрытии 30…35 % (об.) износостойкость КЭП снижалась. Оптимальная износостойкость КЭП наблюдалась при содержании ДФ 18…20% (об.).

Рис. 1. Зависимость износа (а) и шероховатости (б) от содержания и размеров ДФ в КЭП: 1 - Fe-Ni-Al₂O₃ M14; 2 - Fe-Ni-Al₂O₃ M20

Изучение изменения установившейся в процессе испытаний шероховатости поверхности образцов показало, что с увеличением объемного содержания ДФ в КЭП от 0 до 5…7% (об.) шероховатость несколько увеличивалась (рис. 2б). С дальнейшим ростом содержания ДФ в КЭП (до 18…25% (об.)) шероховатость уменьшалась (до Ra 0,5…0,7), достигая минимума при содержании частиц ДФ в покрытии, отвечающем наивысшей износостойкости гетерогенного материала, а затем относительно резко возрастала. Износ покрытий при содержании в них ДФ выше оптимального увеличивался незначительно.

Характер изменения шероховатости поверхности покрытий можно описать следующим образом. При испытании чистых покрытий неровности их контактирующей с абразивом поверхности формируются особенностями структуры и упругопластическими свойствами материала матрицы. Модель такой поверхности можно изобразить в виде набора сфер (рис.2а).

С увеличением содержания частиц в КЭП до 5…7% (об.) неровности материала матрицы постепенно замещаются неровностями из твердых включений (рис.2б). Обладая относительно высокой твердостью в сравнении с матрицей, они в процессе изнашивания выступают из изнашиваемой гетерофазной поверхности значительно выше и подвергаются значительно большему нагружению. Ограниченные прочность связки и связь ДФ с матрицей могут вызвать выкрашивание отдельных частиц, что сопровождается ростом шероховатости КЭП.

Дальнейший рост содержания частиц в КЭП (до 15…22% (об.)) приводил к более полному замещению неровностей матрицы неровностями из твердых включений (рис.2в). Взаимодействие неровностей твердой фазы увеличивалось, соответственно росла прочность гетерофазного материала, а шероховатость уменьшалась до минимума, отвечающего оптимальному содержанию частиц ДФ (рис. 1, 2в).

С увеличением содержания ДФ в КЭП выше оптимального способность связки удерживать износостойкие частицы снижается. Они в процессе изнашивания начинают разрушаться и выкрашиваться, что приводит к резкому увеличению шероховатости (рис.2г).

Весьма интересно, что поверхность наиболее износостойких КЭП, независимо от свойств матрицы, при оптимальной концентрации частиц ДФ имеет почти одинаковую установившуюся в процессе их износа шероховатость. Установленная картина изменения шероховатости поверхности КЭП при их изнашивании, связь износа КЭП с упругопластическими свойствами матрицы и прочностью связи ДФ с матрицей особенно наглядно выявляется при построении графиков зависимости шероховатости от их износа. Следует заметить, что изменение шероховатости при уменьшении износа до минимального значения, а затем ее рост после превышения оптимальной концентрации ДФ в КЭП описываются различными уравнениями регрессии II порядка, полученными на основе статистической обработки экспериментальных данных (рис.3):

на участке АВ Ra = -0,021J² + 0,352J - 0,433, (1)

на участке BC Ra = -0,011J² + 0,619J - 1,470, (2)

на участке АD Ra = -0,029J² + 0,446J - 0,413, (3)

на участке DE Ra = -0,149J² + 1,989J - 3,755. (4)

Анализ зависимостей (1-4) показал, что оптимальную концентрацию ДФ в наиболее износостойких КЭП можно достаточно точно установить расчетом, как точку пересечения ветвей зависимостей шероховатости от износа до оптимального содержания частиц ДФ и после. Таким образом, исследование шероховатости гетерогенных материалов в зависимости от износа может служить методом определения оптимального содержания ДФ в композиционных материалах, отвечающего наивысшей износостойкости, особенно в условиях абразивного изнашивания.

Из сопоставления кривых зависимости шероховатости от износа можно четко выявить связь износостойкости с прочностными свойствами КЭП. Поскольку износ связан с разрушением поверхности, наилучшая износостойкость должна отвечать наивысшей прочности материала [1;2].

Таким образом, повышение прочности матрицы и связи ДФ с матрицей является весьма важным фактором повышения износостойкости гетерогенных материалов. В процессе электролиза прочность матрицы можно повысить легированием электролитического железа (никель, кобальт, вольфрам и др.). Осаждаемые электролитические сплавы в сравнении с чистым железом имеют более высокие упругопластические свойства, износостойкость и прочность сцепления с основой, меньшие внутренние напряжения [5-7;9].

Усилить химические связи фаз в гетерогенном материале можно термообработкой деталей с покрытиями. При термической обработке улучшаются упругопластические свойства матрицы за счет уменьшения микроискажений кристаллической решетки, которое обусловлено миграцией вакансий к свободным поверхностям и границам зерен и аннигиляцией на них, выходом из осадка протонированного и молекулярного водорода, разложением гидроксидов железа и других химсорбированных соединений и миграцией их продуктов из покрытий [5]. Вместе с тем одновременно растет прочность связи между фазами гетерогенного композита за счет термической активации химического взаимодействия. При этом термическое воздействие, вероятно, должно быть ограниченной интенсивности, чтобы не вызвать фазовых изменений компонентов КЭП (условие сохранения гетерогенности) и ухудшения упругопластических свойств матрицы (условие сохранения параметров материала матрицы), что может привести к снижению физико-механических характеристик композита. Некоторые результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие данный вывод, опубликованы в научных статьях [10;11].

Итак, установлены основные соотношения между морфологией и структурой КЭП в условиях абразивного изнашивания. Зависимость установившейся шероховатости поверхности КЭП от износа может быть использована для определения оптимального объемного содержания ДФ в гетерогенном материале, отвечающего наивысшей износостойкости. Износостойкость КЭП можно улучшить, повысив прочность материала матрицы и прочность ее связи с ДФ путем электролиза или термической обработки деталей с покрытиями.

износостойкость композиционный электрохимический абразивный

Список литературы

1. Крагельский, И.В. Узлы трения машин: справочник / И.В. Крагельский, Н.М. Михин. - М.: Машиностроение, 1984. - 280с.

2. Рыбакова, Л.М. Структура и износостойкость металла / Л.М. Рыбакова, Л.И. Куксенкова. - М.: Машиностроение, 1982. - 212с.

3. Айнбиндер, С.Б. Параметры шероховатости контртела, определяющие износостойкость полиэтилена / С.Б. Айнбиндер [и др.] // Трение и износ. - 1981. - Т.2. - №1. - С.12-21.

4. Сайфулин, Р.С. Неорганические композиционные материалы / Р.С. Сайфулин. - М.: Химия, 1983. - 304с.

5. Гурьянов, Г.В. Электроосаждение износостойких композиций / Г.В. Гурьянов. - Кишинев: Штиинца, 1985. - 237 с.

6. Кисель, Ю.Е. Повышение износостойкости деталей машин композиционными электрохимическими покрытиями / Ю.Е. Кисель, Г.В. Гурьянов, П.Е. Кисель // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - №10. - С.39-42.

7. Кисель, Ю.Е. Структура и некоторые прочностные свойства электролитических сплавов железа / Ю.Е. Кисель, Г.В. Гурьянов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. - №7. - С.25-30.

8. Колемаев, В.А. Теория вероятностей и математическая статистика / В.А. Колемаев, О.В. Староверов, В.Б. Турундаевский. - М.: Высш. шк., 1991. - 400с.

9. Шайдулин, А.М. Повышение прочности сцепления электролитического железа с легированной сталью при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.М. Шайдулин. - Кишинев, 1990. - 19с.

10. Кисель, Ю.Е. Влияние режимов лазерной обработки на структуру и износостойкость композиционных гальванических покрытий железо-карбид бора / Ю.Е. Кисель, Г.В. Гурьянов, С.С. Годунов, П.Е. Кисель // Проблемы энергетики, природопользования, экологии: сб. материалов Междунар. науч.-техн. конф. - Брянск: БГСХА, 2009. - С. 56-59.

11. Гурьянов, Г.В. Влияние термической обработки на износ композиционных электрохимических покрытий железо-карбид бора / Г.В. Гурьянов, С.С. Годунов, П.Е. Кисель, Ю.Е. Кисель // Проблемы энергетики, природопользования, экологии: сб. материалов Междунар. науч.-техн. конф. - Брянск: БГСХА, 2009. - С. 59-62.

Материал поступил в редколлегию 25.10.11.

Размещено на Allbest.ru