книги / Прогнозирование триботехнических характеристик порошковых материалов

пористости и нагрузки величина коэффициента трения со смазкой уменьша­ ется в несколько раз. При этом изменяется и / с ростом нагрузки. Если без смазки / уменьшается с увеличением нагрузки, то при трении со смазкой с ростом нагрузки коэффициент трения увеличивается. Такой вид зависимости можно объяснить следующим.

При упругом контакте /4/

где то - сдвиговая прочность фрикционной связи; Е - модуль Юнга; Л - ха­ рактеристика микрогеометрии поверхности; Р - фрикционная характеристи­ ка; dg - коэффициент гистерезисных потерь при трении.

Наличие смазочной пленки резко уменьшает сдвиговую прочность фрикционной связи т0, а следовательно, и вклад первого члена выражения (43) в молекулярную составляющую коэффициента трения в целом. Дефор­ мационная составляющая коэффициента трения пропорциональна контурно­ му давлению с малым показателем степени. При П = 8,6 % возможен переход от открытой пористости к закрытой, а при П = 4 % обнаруживается локаль­ ный экстремум размера пор /71/.

Пористая структура влияет на деформацию поверхности в активной зоне /71/, поэтому наибольшее значение коэффициента трения связано с экстремальным размером пор /70/. Низкие значения коэффициента трения у образцов с высокой пористостью, по-видимому, можно объяснить тем, что для дисперсных порошков при П > 10 % вся пористость является открытой, что облегчает циркуляцию масла и теплоотвод с поверхностей трения. Отно­ сительно низкая температура поверхности затрудняет деформацию и способствует понижениюf

Как видно из табл. 6, выражение (43) правильно отражает тенденции измененияДРС).

Толщину смазочной пленки определяют из выражения, применяемого для случая контакта цилиндров /72/:

где h - сближение между поверхностями; R - радиус кривизны неровностей;

У\ и V2 - скорости колодки и контртела; V - динамическая вязкость, V =

=8,7-108 м2 /кГс; а - пьезокоэффициент масла, а = 4,МО-3 кГс-с/м2 ; Rn - при­ веденный радиус; Ра - давление.

Рис. 13. Зависимость толщины масляной пленки от нагрузки: 1 - П = 2 %; 2 -П = 20 %

Расчеты показали, что пористость мало влияет на толщину пленки (рис. 13), это, вероятно, объясняет слабую зависимость коэффициента трения от пористости П при низких давлениях.

Проверку (44) осуществляют с помощью датчика давления ДД-10 сле­ дующим образом. Устанавливают образец и притирают его всухую. Тариру­ ют показания датчика в зависимости от смещения и записывают эти показа­

ния при трении всухую. Затем контртело окунают в масло. При давлении 0,25 МПа расстояние между образцом и контртелом увеличивается на 1,0-1,5 мкм. При более высоком давлении (порядка 1 МПа) величина сближения близка к расчетной величине масляной пленки.

Микродюрометрическими исследованиями установлена микро­ твердость структурных составляющих поверхности трения: HVo,o5 = =120. ..450. Участков с высокой твердостью (-1000 HVo,os) очень мало. Судя по микротвердости, основные структурные составляющие образца - сорбит и троостит независимо от величины пористости.

Рентгеновским анализом образцов на дифрактометре ДРОН-2 в А,-Со-излучении по линии a-Fe (002) установлено увеличение параметра ре­ шетки по отношению к эталону на 0,03-0,06 % для всех образцов. Это под­ тверждает предположение о насыщении поверхности углеродом.

Таким образом, при граничном трении возможен разогрев контакти­ рующих поверхностей выше температуры фазовых превращений и цемента­ ция железа. Аналогичные результаты для сталей представлены в работе /73/.

Как и коэффициент трения, интенсивность изнашивания сильно связа­ на с размером пор. Наибольший износ (П = 4 %) соответствует минимально­ му значению К\с. Это указывает на связь между размером пор (при П = 4 % размер пор наибольший), трещиностойкостью и износостойкостью.

Поскольку толщина активного слоя существенно превышает толщину окислов, размер продуктов изнашивания и глубину диффузионного проник­ новения элементов внедрения, физико-механические свойства материала влияют на износостойкость. Принятые в настоящее время методики оценки интенсивности изнашивания, основанные на определении физико­ механических свойств /4,7/, хотя и имеют более низкую точность прогноза при трении со смазкой /7/, но остаются достаточными для инженерных рас­ четов.

Полагая далее усталостный характер изнашивания и считая выполнен­ ным условие Париса

(5 1 )

решают совместно (49) и (51), (50) и (51). Связь между Кус, Рсн1 находят из выражения

Значения R, Æmax, 6, v для порошковых материалов можно взять из /3/. Тогда при упругом ненасыщенном контакте

0,98

рс(1-ц2)

((т /2 -1 ).^ { 3 0 Р с°>565))

Е

(5 3 )

Поскольку формулы (53) и (54) отличаются только показателями степени Рс

и значениями постоянных коэффициентов, а также с учетом малых измене­ ний £ и ц решение ищут в виде

(d/2)(,"m/2) - Ç--MC

Р™1

Так как при П = 8... 10 % происходит переход от проницаемой пористой структуры к непроницаемой, то экспериментальные данные (см. табл. 6) ап­ проксимируют отдельно для П от 2 до 8,6 % (числитель) и от 20 до 8,6 % (знаменатель). В первом случае а - 76,2, с = 0,03, т\ = 0,66, m2 = -3,77, т = =2,32; во втором а = 36,3, с = 6,5, т\ = 0,086, m2 = 1,37, m = 1,67.

Отмстим, что при усталостном разрушении m изменяется от 2 до 8, при этом по мере увеличения степени предварительной деформации и содержа­ ния примесей m возрастает. Величина тп, кроме прочих факторов, может за­ висеть от нагрузки и асимметрии цикла. В работах /74,75/ представлены зна­ чения тпдля холоднодеформированной пластичной стали при большой асим­ метрии цикла. Изменение m при трении от 2,32 до 1,67, по-видимому, связа­ но с влиянием пор: закрытая пористость затрудняет циркуляцию масла, и по­ этому основная функция пор сводится к концентрации напряжений. В этом случае их роль как резервуаров смазки невелика. Проницаемая пористая структура кардинально изменяет влияние пор: поры обеспечивают постоян­ ную циркуляцию масла и отвод тепла с поверхностей трения, поэтому зна­ чение m < 2.

В целом применение зависимости (55) для инженерных расчетов впол­ не оправданно, при этом количество неопределенных коэффициентов гораздо меньше, чем в применяемых в настоящее время методиках /4,7/.

Итак, при граничном трении пористого железа в паре с закаленной сталью установлена немонотонная зависимость ДП) и /(П). Получено выра­ жение, связывающее интенсивность изнашивания и физико-механические свойства материала. Показано, что увеличение коэффициента трения при возрастании нагрузки связано с ростом деформационной составляющей ко­ эффициента трения.

3. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКОВЫХ

СТАЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

3.1.Определение коэффициентов трения порошковых сталей при скольжении без дополнительной подачи смазки

Замена на порошковые традиционных материалов в парах трения не­ возможна без изучения их антифрикционных характеристик. Часто подшип­ ники работают в паре со сталью 45 (HRC 45) без смазки, поэтому выбор ма­ териала, обеспечивающего высокую самосмазываемость изделий, приобрета­ ет особенно важное значение.

Для порошковых сталей пористостью до 20 % в паре с закаленной ста­ лью 45 коэффициент трения определяют на машине трения СМЦ-2. Смазоч­ ное устройство не применяют, притирку стандартных (ГОСТ 26614-85) об­ разцов и контртела осуществляют без использования предварительной обра­ ботки поверхности притирочными материалами. Скорость скольжения при приработке и испытаниях составляет - 1 м/с.

Образцы получают перемешиванием шихты в смесителе со смещенной осью вращения, прессованием в закрытых стальных пресс-формах и спекани­ ем. Режимы спекания указаны в табл. 7. Заключительная операция - пропит­ ка маслом в течение 2 часов при 120 °С.

Структуру материалов изучают на микроскопе «Neophot-21». Выбор сталей ПА-ЖГр и ПА-ЖГрД обусловлен их широким практическим приме­ нением. Пропитка сталей медью (ПА-ЖГр+Cu) позволяет не только сущест­ венно повысить их эксплуатационные характеристики, но и создать неразъ­ емные конструкции сложной формы на стадии спекания /76/. Сталь ПАЖГрО,5ХЗНМ обладает хорошим для порошковых материалов сочетанием прочности и трещиностойкости /77/. Выбор стали ПА-ЖГрО,5Н12 +5 % TiC основан на том, что в настоящее время, возрос интерес к сплавам, содержа­ щим 5-10 % упрочняющей дисперсной фазы, поскольку для их изготовления не требуется применение связующего, а по своей износостойкости они кон­ курируют с карбидосталями /78/.

Микроструктура стали ПА-ЖГр содержит две основные составляю­ щие - перлит и цементит, местами окаймляющий зерна, (рис. 14,а). Выделе­ ние цементита связано с насыщением образцов углеродом в процессе спека­ ния. У стали ПА-ЖГрД (рисЛ 4,6) структура перлитного типа, встречаются включения неметаллических фаз, поры распределены достаточно равномер­ но. Сталь ПА-ЖГрО,5Н12 + 5 % TiC имеет перлито-мартенситную структуру (рис. 14,в) с достаточно равномерным распределением карбидной фазы, сталь ПА-ЖГрХЗНМ - перлито-мартенситную (рис. 14,г). Пропитка медью практи­ чески не влияет на структуру материала. Сталь ПА-ЖГрД, пропитанная ме­ дью, кроме перлита содержит хорошо различимые включения на основе ме­ ди - наиболее светлые участки микрофотографий.

Значения коэффициентов трения/ для каждого материала аппроксими­ руют зависимостью, связывающей/ с твердостью, пористостью и контурным давлением /79/. При этом полагается выполнение условий пластического не­ насыщенного контакта.

/ = 0,09(РС/НВ)0>25 + (1_ П)•(£+ то/Рс).

Данные вычислений представлены в последней графе табл. 7. 58

Для всех материалов, за исключением ПА-ЖГр, характерна хорошая

сходимость расчетных и экспериментально определенных значений/ Фрик­

ционные параметры Р и т0 вычисляют по методу наименьших квадратов.