2. Методики измерения параметров поверхности

1. Методика испытаний и оборудование для исследования

трибологических характеристик.

Для металлических поверхностей и электролитических покрытий, работающих в условиях механического или электрического контактирования важное значение имеют такие характеристики как износостойкость, задиростойкость, антифрикционность. Способы оценки данных свойств различны. При испытаниях на истирание, например, мерой износа является убыль материала в результате испытания, определяемая взвешиванием. Иногда для определения меры износа используют продолжительность испытаний или количество шлифовального материала, необходимое для достижения заданной цели, но эти способы позволяют определить не абсолютную меру износа, а только его относительные величины.

В [24] для испытаний на истирание гальванических покрытий рекомендуется прибор, основным элементом которого является латунный барабан с натянутым на него сукном (для мягких покрытий) или наждачным полотном (для твердых покрытий). Барабан с заданной скоростью и нагрузкой трется по исследуемому образцу. Мерой износоустойчивости покрытия является число оборотов барабана, необходимое для истирания электролитического покрытия определенной толщины при постоянной нагрузке. Недостаток данного прибора – плохая воспроизводимость результатов испытаний.

Хорошая воспроизводимость результатов была получена на приборе, разработанном в ЛТИ им. Ленсовета [24]. В данном приборе латунный диск диаметром 15 мм с нанесенным на него покрытием совершает возвратно-поступательное движение по неподвижной плоскопараллельной пластине, которая также покрывалась соответствующим электролитическим покрытием. Образец нагружается с помощью съемных гирь. Износоустойчивость покрытия определяется по времени истирания образца до обнажения основы либо по величине потерь в его массе.

Авторами [25, 26] предложены приборы, с помощью которых износостойкость предлагается определять по стираемости покрытий, оцениваемой изменением величины его электрического сопротивления в процессе абразивного воздействия. Критерий оценки износостойкости в данных приборах – число циклов, при котором поверхностное электрическое сопротивление не превышало заданную величину.

Несмотря на многообразие существующих способов и оборудования, с помощью которых можно оценить износостойкость электролитических покрытий, серийное производство подобного оборудования не налажено, а существуют лишь макетные или опытные образцы. Выпускаемая промышленностью машина трения АЕ-5 для лабораторных исследований далеко не всегда приемлема. Вследствие этого автором был использован метод электрофрикционных испытаний и опытный образец устройства для его реализации.

Методом электрофрикционных испытаний можно оценить тот или иной аспект трибологического поведения: износостойкость, задиростойкость, антифрикционность при одновременном фиксировании значений контактного сопротивления пары трения.

Экспериментальной основой метода являются испытания электрофрикционных материалов при точечном или линейном контакте образцов с постоянной нагрузкой на узел трения. При проведении испытаний во избежание фрикционного нагрева в контакте скорость относительного перемещения образцов постоянна и весьма малая [27]. При этих условиях температура в зоне контакта образцов практически не отличается от объемной температуры.

Принцип действия устройства для электрофрикционных испытаний заключается в истирании пары «сфера – плоскость» при одновременном исследовании электрических явлений в зоне фрикционного контакта образцов. Общий вид устройства представлен на рис. 2.1. Электродвигатель 1 через редуктор 2 передает вращение валу 4, на который с эксцентриситетом посажен шарикоподшипник 5. Жестко связанный с подшипником 5 шатун 6 перемещает в направляющих 7 каретку 8, которая сообщает возвратно-поступательное перемещение образцу со сферической поверхностью 9. Усилие прижима до 0,5 Н устанавливается с помощью индикатора 10, а до 5 Н – размещением грузов на чашке 11. Измерение силы трения производится с помощью индуктивного датчика 12, чувствительный элемент которого

взаимодействует с держателем 13 и пластиной 14. Держатель 13 смещается пропорционально силе трения, благодаря плоским пружинам 15, закрепленным на станине 16. В процессе работы устройства число циклов возвратно-поступательного перемещения сферического образца определяется счетчиком импульсов 17, связанным с датчиком 18. Устройство собрано на станине 16. Внутри станины установлены блоки и панели управления электродвигателем редуктора.

Схема редуктора характеризуется наличием ряда последовательно включенных зубчатых передач с постоянным зацеплением и переключаемых соединительных муфт. Переключение передаточного числа производится включением или выключением соединительных муфт. Включение соединительных муфт осуществляется с помощью элеюромагнитных реле.

При включении любой скорости движения образца возможны его кратковременные рывки, вызванные последействием винтовых пружин редуктора. Для устранения рывков необходимо перед включением требуемой скорости привести винтовые пружины в исходное состояние соответствующими кнопками переключателя.

Рис. 2.1 – Схема устройства для электрофрикционных испытаний

На верхней плоскости станины расположен пульт управления, содержащий сетевой выключатель, кнопки запуска и остановки электродвигателя, кнопки установки ступеней скорости возвратно­поступательного перемещения сферического образца, счетчик числа циклов, сигнальные лампочки. На боковой поверхности установки расположен сетевой предохранитель.

Основные технические характеристики устройства:

Скорость скольжения, мм/с – 0,25 - 63,0

Амплитуда возвратно-поступательного движения, мм – 22,0

Нагрузка на образцы, Н – 0,25 - 5,0

Образцы:

• верхний (подвижный) – сфера, диаметр, мм – 5,0

• нижний (неподвижный) – пластина, мм – 40,0x5,0x1,5

Максимально допустимая сила трения, Н – 4,0

Чувствительность датчика силы трения. г/В – 250 - 6500

Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм – 420x220x220 Масса, кг – 15,0

При проведении испытаний с помощью индуктивного датчика измеряется сила трения. Обработка экспериментальных данных состоит в вычислении коэффициента трения и построении при необходимости временных зависимостей коэффициента трения.

Величина силы трения определяется из соотношения:

F = L×k, (2.1)

где L – отклонение регистрирующего прибора в делениях, k – градуировочный коэффициент.

Величина коэффициента трения определяется из соотношения

где Р₀ – осевая нагрузка.

Исследование износостойкости проводится путем измерения после определенного количества циклов трения контртелом (шариком) по поверхности образца ширины d и глубины h дорожки трения или оценивается износостойкость пленок по количеству двойных ходов контртела до потери 1,0 мкм толщины пленки. Глубина дорожки равна:

где r – радиус шарика, d – ширина дорожки трения

На основании этого определяется величина объемного износа W за один цикл по выражению:

где п – количество циклов, l – длина дорожки трения.

Методика проведения испытаний включает подготовку установки и образцов к испытаниям, проведение испытаний и обработку экспериментальных данных. Порядок проведения испытаний:

• промыть образцы для испытаний последовательно в бензине я ацетоне;

• верхний образец – корундовый шарик радиусом r = 5 мм установить в держателе установки;

• нижний образец (рис.2.2), поверхность которого исследуется, закрепить в соответствующем держателе при помощи винтов;

• нагрузить образец заданным усилием P₀ с помощью индикатора часового типа или набором грузов;

• включить устройство для электрофрикционных испытаний в сеть, привести винтовые пружины в исходное состояние, установить все измерительные приборы в нулевое положение, выбрать скорость перемещения контртела.

Рис. 2.2– Образец для исследования коэффициента трения, износостойкости на устройстве для электрофрикционных испытаний

• после установки нулевого значения на приборе для измерения силы трения с помощью резистора установки нулевого значения включить записывающий прибор в сеть;

• включить привод перемещения верхнего образца, произвести измерения силы трения в течение 100 циклов. После отключения привода перемещения экспериментальные данные усреднить;

• включить привод перемещения верхнего образца и произвести 1000 - 2000 циклов износа образца;

• определить после этого ширину дорожки трения при помощи микроскопа, рассчитать ее глубину по формуле (2.3) и коэффициент трения по формуле (2.2). Рассчитать среднее значение объемного износа по выражению (2.4) или оценить износостойкость покрытия по количеству двойных ходов контртела.