Технологические методы диффузионного упрочнения, повышающие фреттинг-стойкость деталей машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Селиванов, Константин Сергеевич

• Селиванов, Константин Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Селиванов, Константин Сергеевич

поверхности...............................................95

4.1.1.1 Расчеты прецизионного периода кристаллической решетки...................................................101

4.1.1.2 Расчеты микронапряжения поверхности образцов.... 103 4.1.2 Исследование электродного потенциала..............104

4.2 Исследование микротвердости...........................107

4.3 Исследование механических свойств.....................110

4.4 Выводы................................................112

ГЛАВА V ОЦЕНКА ФРЕТТИНГ-УСТАЛОСТИ

5.1 Испытание на износ при фреттинге стальных образцов.... 114

5.1.1 Математическое планирование эксперимента..........114

5.1.2 Реализация эксперимента...........................120

5.1.3 Построение математических моделей и проверка их адекватности..................................... 121

5.1.4 Анализ результатов математического планирования эксперимента..............................................125

5.2 Рентгено-структурный анализ вторичных продуктов

фреттинга.................................................128

5.3.Результаты электронной микроскопии изношенной

поверхности...............................................133

5.4 Испытание на стойкость при фреттинге образцов из

титанового сплава ВТб................................139

5.4.1 Исследования влияния ионной имплантации азота на схватывания при фреттинге............................139

5.4.2 Исследование влияния различных технологических методов упрочнения на стойкость при фреттинге........141

5.5.Исследование микротвердости поверхности после фреттинга............................................147

5.5.1 Исследование микротвердости стальных образцов.....147

5.5.2 Исследование микротвердости титановых образцов.... 158

5.6.Исследование внутреннего трения после фреттинга.......160

5.6.1 Исследование внутреннего трения стальных образцов. 161

5.6.2 Исследование внутреннего трения титановых образцов..................................................163

5.7 Анализ процессов, протекающих на взаимодействующих поверхностях при фреттинге................................165

5.8 Технологические рекомендации по использованию технологи ионной имплантации азота с целью увеличения фреттинг-стойкости........................................170

5.9 Выводы................................................172

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологические методы диффузионного упрочнения, повышающие фреттинг-стойкость деталей машин»

ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ФРЕТТИНГА

1.1 Анализ условий эксплуатации и причин отказов деталей в связи с проблемой фреттинга.

Анализ причин отказов узлов и агрегатов ГТД в ходе их длительной эксплуатации в составе полноразмерных изделий, а также результатов стендовых испытаний, периодически проводимых на авиадвигателестроительных предприятиях1,2'3 [20 ] , показывает, что фреттинг является одной из основных причин зарождения большинства усталостных дефектов, приводящих к разрушению. Установлено, что по причине появления и развития этого процесса преждевременно выходят из строя:

• бандажные и антивибрационные полки рабочих лопаток ГТД;

• замковые соединения рабочих лопаток с дисками;

• детали подшипниковых опор ротора двигателя и агрегатов;

• детали верхнего и нижнего автоматов перекоса лопасти винта вертолета;

• тяги подвески автоматов перекоса;

• проводка управления лопастью винта вертолета;

• рукава втулки верхнего винта и другие.

Особо остро стоит проблема износа контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток ГТД и их замковых соединений с дисками. Появление на рабочих поверхностях лопаток даже незначительных дефектов при их фреттинге, приводит к

Примечание

1. Технический отчет №5 п-96 по периодическим усталостным испытаниям агрегатов колонки Д2Б серийного производства за период с 01.09.1994 по 31.12.1995. - Уфа.: ОАО "УМПО", 1996. - 85с.

2. Технический отчет №223 п-93 по периодическим усталостным испытаниям агрегатов колонки Д2Б серийного производства за программу 1993 года. - Уфа.: ОАО "УМ110", 1994. - 73с.

3. Технический отчет №148 п-95 по контрольным периодическим испытаниями на выносливость элементов автомата перекоса винта вертолета за программу 1995 года. - Уфа.: ОАО "УМПО", 1996. 104с.

зарождению усталостных трещин, их катастрофическому росту под действием рабочих нагрузок и, в конечном итоге, к отказу и поломке двигателя [ 13,14,19,20 ]. Износ бандажных полок лопаток компрессора и турбины из-за вибрации вызывает уменьшение, а иногда и полное срабатывание конструкционного и эксплуатационного натяга. В результате увеличивается амплитуда виброперемещений и величина переменных напряжений пера лопатки, что может служить причиной ее усталостной поломки [ 21 ] . Следствием износа бандажных полок является также постепенное ухудшение рабочих характеристик двигателя: уменьшение КПД компрессора и турбины, увеличение расхода топлива, увеличение уровня вибраций и уменьшение запасов газодинамической устойчивости, которое может привести к аварийным ситуациям [20 ] . Кроме этого, очень часто работоспособность узлов двигателя в условиях вибрации под нагрузкой, ограничивается развитием локального схватывания, приводящего к появлению вырывов на поверхности деталей или к их заеданию и потере работоспособности сопряжения.

Эта проблема особенно актуальна для деталей из титановых сплавов, которые применяются в двигателестроении благодаря своему малому весу и высокой прочности. В тоже время, трибосопряжения, изготовленные из этих материалов, проявляют низкие антифрикционные свойства, склонность к адгезионному взаимодействию, что ведет к схватыванию контактирующих поверхностей, образованию задиров и снижению усталостной прочности [ 2,20 ]. По этой причине в настоящее время применение материалов на основе титана весьма ограничено.

Визуальное исследование многих деталей, которые подвергались фреттингу при эксплуатации, показывает, что внешние признаки этого процесса на поверхности детали проявляются в виде ярко выраженного схватывания в местах контакта; потертостей с сеткой мелких (не более 0,2 мм) усталостных трещин; образований в виде язв и каверн, заполненных порошком из окислов металла [ 4-7 ] . Вид каверн, при этом, зависит от условий протекания фреттинга. Визуально

их можно разделить на мелкие блюдцеобразные углубления и на глубокие отверстия в виде питтингов. Первые появляются в результате того, что продукты износа имеют возможность выхода из зоны первоначального поражения и начинают абразивное изнашивание вблизи нее. Вторые образуются, когда вторичные продукты фреттинга, окислы, полностью заперты внутри зоны первоначального поражения в результате того, что они занимают больший объем (в случае железа - в два с половиной раза), чем основной металл [ 4,7 ].

Анализ результатов упомянутых выше металлургических исследований причин возникновения усталостных поломок деталей авиационной техники [ 9,11,12 ] показывает, что большинство усталостных изломов деталей, которые работали "в условно неподвижном сопряжении, имеют началом разрушения по цвету темную от наклепа контактную выработку. В месте зарождения усталостных трещин наблюдается растрескивание металла поверхности с пленкой налета красно-бурого или коричневого цвета, что характерно для действия фреттинг-коррозии [ 4,6,712 ].

Так, например разрушение вилки автомата перекоса верхнего винта вертолета, которое произошло по двум проушинам, носит усталостный характер с началом от следов фреттинг-коррозии, рисунок 1.1. Металлургическими исследованиями установлено, что в зоне очага наблюдается растрескивание в результате фреттинга, очаги разрушения располагаются с уголков по внутреннему диаметру проушины с внутренней стороны. В рельефе очагов располагаются четкие рубцы, исходящие из одного фокуса, а также концентрические линии отдыха развития трещины.

Рисунок 1.1 - Разрушение вилки

Рисунок 1.2 - Вид излома

Поломка болта поводки управления втулки верхнего винта вертолета, рисунок 1.3, произошла в месте образования кольцевых следов приработки от сопрягаемой детали и следов фреттинг-коррозии. Последние располагаются по окружности болта в виде пятен красно-бурого цвета с язвами и раковинами на длине примерно 40 мм по обе стороны поломки. Очаг разрушения, рисунок 1.4, гладкий темный от наклепа. Он находится на поверхности болта в месте сильной местной приработки от сопрягаемой детали и грубой фреттинг-коррозии, глубина язв от которой достигает величины 0,035 мм.

Поломка втулки и оси нижней ползушки автомата перекоса винта вертолета также произошло в результате усталостного износа.

Разрушение оси наступило под втулкой, ближе к резьбе, рисунок 1.5. По месту излома наблюдается кольцевая контактная выработка с налетом красно-бурого цвета. Очаг разрушения гладкий темный от наклепа расположен с наружной поверхности детали, рисунок 1.6.

стрелочка указывает на место контактной выработки в результате фреттинга Рисунок 1.3 - Вид поломанного болта

Рисунок 1.4 - Вид излома по месту поломки

Разрушение втулки, рисунок 1.7, в начале произошло на фланце, а далее распространилось в тело на полудиаметре детали. Излом по месту разрушения носит усталостный характер и идет от наружной поверхности фланца с двух диаметрально противоположных сторон и далее переходит в тело втулки на все сечение, рисунок 1.8. На наружной поверхности фланца наблюдается фреттинг-коррозия.

Все дефекты, которые образуются при фреттинге являются эксплуатационными концентраторами напряжения [ 13 ] и приводят к интенсификации усталостного выкрошивания материала и зарождению усталостных трещин, их развитию и, как следствие, резкому сокращению выносливости и долговечности деталей. Так, испытания на усталость образцов, предварительно подверженных фреттингу показали, что их предел выносливости уменьшается примерно на 50-100 МПа [ 4,14 ] в зависимости от предварительной технологической обработки, рисунок 1.9, 1.10. Более того, комплексные исследования [ 4,13,14 ] свидетельствуют о том, что влияние процесса фреттинга на усталость качественно одинаково на всех материалах.

•"«и4

стрелочка указывает на выход усталостной трещины с противоположной стороны втулки Рисунок 1.8 - Характер излома по месту поломки

Число циклов

1-ППД;

2 - ППД+ низкотемпературный отпуск;

3 - отжиг;

4 - отжиг + низкотемпературный отпуск;

Рисунок 1.9 - Влияние

термической обработки на

фреттинг-усталость нержавеющей стали (10Х18Н9) [ 4 ]

О - гладкие образцы • - образцы после фреттинга а - литая сталь б - кованая сталь

Рисунок 1.10 - Кривые фреттинг-усталости для стали 24Х [ 4 ]

Кроме поломок деталей в результате появления и развития усталостных трещин распространенной причиной отказов и нарушения работоспособности является также образование и накопление продуктов фреттинг-коррозии в местах подвижных сопряжений деталей [ 4,9,20 ]. Это приводит к нарушению работы сопряжения, его заклиниванию, что при обслуживании затрудняет, а в некоторых случаях исключает, разборку узла без разрушения одной из деталей сопряжения (шарниров автомата

перекоса винтов вертолета, шаровых опор, сферических подшипников систем управления и др.) [ 9,20 ].

Анализ ресурсов INTERNET показывает, что проблемой фреттинга в настоящее время активно занимаются за рубежом в таких научных центрах, как

• лаборатория фреттинга при школе космонавтики и аэронавтики университета Пурдэ (США), где изучают проблему фреттинга заклепочных соединениях обшивки летательных аппаратов;

• объединенные лаборатории при государственном университете Нью-Мексико (США). Их предметом исследований является фреттинг электрических контактов;

• национальный исследовательский институт металлов (Япония), где проводятся исследования различных конструкционных материалов на усталостную прочность при фреттинге.

1.2 Механизм фреттинга и решение вопроса по повышению фреттинг-усталости конструкционных материалов и деталей из них.

1.2.1 Методы исследования фреттинга.

Для исследования механизма фреттинга многими учеными [ 23-32 ] были предложены различные схемы испытаний и сконструированы специальные установки для их проведения. Важнейшим требованием к их конструкции при моделирования фреттинга являлось способность создавать между двумя соприкасающимися поверхностями образцов колебательное тангенциальное относительное движение, или по другому -проскальзывание [ 4 ] . Для выполнения этого требования исследователи чаще всего применялись механические, реже гидравлические и электрические методы.

Механизм фреттинга обычно исследовался на образцах, которые контактировали друг с другом плоскими поверхностями.

Наряду с ними широко использовались, особенно в ранних опытах, образцы, которые контактировали друг с другом по схеме "цилиндр-плоскость" или:"сфера-плоскость". Рассмотрим наиболее известные из них.

Томплинсон (Tomplinson G.Ä.) [ 23 ] в своих исследованиях применял в качестве образцов металлический шарик в контакте с плоскостью поверхности основания. Шарик совершал непрерывное колебательное вращение вокруг своей диаметральной оси при неподвижной опоре. С помощью этой установки было установлено, что для начала фреттинга необходимо наличие колебательного проскальзывания. Применение смазывающих веществ при этом не предотвращало появление повреждений.

Такой же тип контакта сферы с плоскостью был использован в опытах Джонсоном (Johnson K.L.) [ 24 ], который исследовал характер повреждения пятен контакта.

Позднее Томплинсон, Торп и Гаф (Tomplinson G.A., Thrope P.L., Gough H.J.) впервые описали машину, вызывающую крутильные колебания кольцеобразных образцов, которые контактировали по плоским граням, рисунок 1.11. [ 4,25 ]. Этот же принцип был положен в конструкцию установки, сконструированной Улигом (Uhlig H.H.) [ 26 ] , которая обеспечивала контролирование амплитуды в пределах ±7,5 мкм.

Рисунок 1.11 - Аппарат и образец для исследования фреттинга, основывающийся на крутильной вибрации кольцевых обойм [ 4 ]

Аналогичный тип контакта используется в действующем в настоящее время ГОСТ 23.211-80 "Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии" [ 33 ] . Сущность использованного в нем метода состоит в следующем. Цилиндрический подвижный образец (контробразец), который соприкасается торцевой поверхностью с неподвижным цилиндрическим образцом из исследуемого материала при заданном давлении, приводится в возвратно-вращательное движение с определенной амплитудой и частотой. Тангенциальное смещение образцов обеспечивается электродвигателем через эксцентрик с регулируемым эксцентриситетом.

Корнелиус, Боленрат (Cornelius Н., Bollenrath F.) [ 27 ], Фернер, Филд (Fernner A.J., Field J.E.) [ 28,29 ], Уотерхауз (Waterhou.se R.B.) [ 30,31 ] при исследовании фреттинг-усталости использовали машину, которая могла обеспечивать условие осевого растяжения (или сжатия) образца во время фреттинга. Контакт при этом осуществлялся по схеме "плоскость-плоскость" при нагруженном неподвижном образце, рисунок 1.12.

Значительно реже в конструкциях установок для исследования фреттинга применяются пьезоэлектрические или электромагнитные методы создания пульсирующих тангенциальных колебаний. Такие методы, например, были положены в основу конструкций различных установок, предложенных К.Динсоном, Лонгмайером, Мак-Доуэллом [ 1 ] . В этих устройствах подвижные бруски осуществляли относительное возвратно-поступательное движение, взаимодействуя с неподвижными плоскими образцами. Образцы приводились в колебательное движение с помощью электромагнитов, питаемых от генераторов высокой частоты. Нагружение производилось с использованием специальных калибровочных пружин.

На основе пьезоэлектрического вибратора для создания фреттинга образцов из различных материалов была предложена конструкция установки Мейсоном и Уайтом (Mason W.P., White S.D.) [ 32 ] .

1.2.2 Влияние внешних факторов на фреттинг.

Фреттинг, как уже было отмечено, возникает в местах контакта сопряженных деталей, которые под нагрузкой испытывают взаимные микроперемещения, например, при вибрации. Величина таких перемещений исчисляется несколькими микрометрами. Большинство исследователей ограничивают амплитуду при фреттинге величиной не более 300 мкм [ 4,10 ], ссылаясь на то, что при ее увеличении картина изнашивания напоминает разрушения, происходящие в результате однонаправленного трения скольжения, то есть при этом фреттинг теряет свою специфику.

В результате малой амплитуды перемещения соприкасающихся поверхностей повреждения сосредотачиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты износа не могут выйти из зоны сопряжения, в результате чего возникает может произойти заклинивание подвижного соединения [ 7 ].

Изучение влияния амплитуды колебания (проскальзывания) поверхностей на величину повреждения контактирующих поверхностей при фреттинге проводилось И.М. Фенгом, Р.Б. Уотерхаузом, В.Д. Шипиловым, И.В. Васильевым и другими. Их исследования показали, что имеется примерно линейная зависимость потери массы образца с увеличением амплитуды, рисунок 1.13 [ 4,7,10 ].

О

СП

о

ж

ю

о

654 3

н о

0

50 100 150

амгиштуда, мкм

Рисунок 1.13 - Зависимость износа при фреттинге от амплитуды [ 4,7,10 ]

В отличие от влияния амплитуды, повышение контактного давления носит более сложный и противоречивый характер. Так, установлено [ 4,10 ], что при начальном повышении нормальной нагрузки до некоторой предельной величины, износ поверхности увеличивается, рисунок 1.14. При ее дальнейшем повышении, износ стабилизируется и, далее, начинает уменьшаться. Снижение износа в этом случае объясняется образованием натяга сопряжения, которое способно уменьшить повреждения при фреттинг-коррозии [ 21 ] в результате сокращения или

предотвращения относительного проскальзывания контактирующих поверхностей. В то же время, необходимо заметить, что усталостные процессы, которые развиваются в результате действия переменного напряжения в поверхностном слое материала, не прекращаются. Таким образом, при повышении контактного давления более некоторой критической величины ведущим процессом при фреттинге становится не абразивный износ, ответственный за изменение геометрических размеров деталей, а усталостный, который приводит к поломке детали в результате зарождения и развития под напряжением усталостной трещины.

10 й 8

Л б

»

4

■у

10 20

3

40 рн

!. 1'-*-)Гц (лапные полученные Уллгом. Рантом):

2. Г—ЗХГщлапиые ис>л\ ченные Феном и Уи-пом).

3, 1=10! I а (данные полученные Ридом п Ьеттером).

Рисунок 1.14 - Зависимость износа при фреттинге от нагрузки [ 4,10 ]

Кроме действия внешних механических факторов, на фреттинг также оказывает сильное влияние состав и характер внешней среды. Так, например, установлено, что в сухом воздухе изнашивание происходит намного интенсивнее, чем во влажном. Наличие паров воды снижает интенсивность фреттинга. Также можно предполагать, что в процессе фреттинг-коррозии при влажном воздухе образуется водород, способный быть восстановителем и уменьшать количество продуктов коррозии [ 10 ]. В то же время анализ проведенных усталостных испытаний [ 21 ] показывает, что во влажном воздухе

усталостные процессы протекают заметно менее интенсивно, чем в сухом. Таким образом, в нестоящее время нет общепризнанного мнения о влиянии влажности на интенсивность износа при фреттинге.

Такого же единого мнения нет у исследователей и по поводу повышения температуры в зоне действия фреттинга. Так, результаты некоторых исследований структурных изменений стали в зоне трения показывают значительный рост температуры в контакте (до 700°С) [ 1,10 ]. Согласно другим исследователям, температура в контакте не может достигать больших величин в виду малых скоростей скольжения [ 10 ] . В то же время общепризнанным является тот факт, что при повышении температуры окружающей среды пары трения наблюдается уменьшение фреттинг-износа [ 4,10 ].

Присутствие во внешней среде окислителя может инициировать процесс фреттинг-коррозии [ 4 ] . Так, фреттинг в присутствии кислорода (на воздухе) сопровождается окислительным износом и образованием окислов металла в виде пленок или порошка в зоне контакта, который может вызвать нарушение точности взаимного расположения деталей в сопряжении, а также заедание и выход их из строя [ 7 ] . Многочисленные исследования [ 4,7,8,10,18 ] показывают, что продукты фреттинг-коррозии стальных деталей представляют собой пленку или мелкодисперсный порошок красно-бурого или черного цветов. Состав этих продуктов включает в себя большей частью оксид а-Ее203, а также в небольшом количестве ЕеО, Ее304 или гидроокись Ее203-Н20. При длительных испытаниях деталей из никелевых сплавов продукты коррозии представляют собой N10 и малые количества N1., для медных - это Си20 и немного СиО и Си. Окислы, нитриды и гидраты образуются при разрушении всех металлов, за исключением платины, продукты износа которой состоят из черного порошка чистой платины [ 7,10,19 ].

Фреттинг с разной интенсивностью осуществляется также в вакууме, в среде кислорода, азота, гелия. Величина износа при

фреттинге в атмосфере воздуха выше, чем в вакууме и в среде азота, а в кислороде больше, чем в гелии [ 4,10 ]. В виду этого можно сделать вывод, что существенную роль в изнашивании при фреттинге играет окисление поверхностей трения. Если бы интенсивность изнашивания определялась только механическими свойствами материалов и силами трения, то она была бы больше в вакууме, чем на воздухе, поскольку в вакууме силы трения значительно выше [ 10 ].

Надо отметить, что интенсивное окисление при фреттинг-корозии отличается от обычного, характерного для нормального трения, и носит специфический характер. Эта специфика вызвана динамическим характером нагружения, при котором на контактирующих поверхностях резко увеличиваются градиенты деформаций и температур. Если в обычных условиях трения скольжения поверхностные слои металла значительно активизируются в результате работы сил трения, то при динамическом нагружении эта активизация возрастает во много раз. Это происходит в результате резкого увеличения плотности несовершенств кристаллического строения на поверхности контакта (вакансий, дислокаций, дислоцированных атомов, дефектов упаковки и других), вызванных локализованным процессом переменного деформирования поверхности. При этом увеличение плотности дефектов тонкой поверхностной структуры металла вызывает ее резкую активизацию и как следствие, интенсификацию процессов окисления [ 5,15,17 ].

Влияние частоты взаимного перемещения при этом оказывает большое влияние на износ лишь при малых значениях, примерно до 10 циклов/сек на воздухе [ 7 ] , что связано со временем протекания одного акта окислительной реакции за цикл смещения. При увеличении частоты взаимного перемещения более некоторой величины, зависящей от состава окружающей среды и ее температуры, величина износа образцов остается постоянной [4,7,10], рисунок 1.15.

8

го

* 20 ^ * ^

& 10

4

3" 2

1

0 500 1000 1500 201

£ цикл/мин

1- амшитда Ч) мкм; наработка 67800 циклов;

2- пмшш 1>ла 90 мкм; наработка 67800 циклов;

3- амшитда 90 мкм; наработка 475800 циклов;

4- а.мили1>ла 230 мкм; наработка 67800 циклов; оанн'ч,: па 1\ чсны Цк'чаи Умгть Ридом, Беттераы

Рисунок 1.15 - Зависимость износа при фреттинге от частоты

проскальзывания [4,7,10]

А

18

О О 03

* 10

& 6

2 ■■

40 60 80

относи 1 е-1 ы Iая в.!(ажность

воздуха, %

I - число циклов наработки N=457800 (14,1 2- число циклов нарабо'1 ки N=67 (2.1 час)

(ншиыс получены Феном и У.тгпм

Рисунок 1.16 - Зависимость износа при фреттинге от

относительной влажности

Обобщая результаты исследований фреттинга многих ученых, Уотерхауз Р.Б. в своей монографии [ 4 ] выделил основные закономерности этого процесса:

• повреждения уменьшаются в инертной атмосфере, а также при повышении ее влажности, рисунок 1.16;

• продукты разрушения состоят в основном из Ее203;

• потери веса увеличиваются с ростом нормальной нагрузки и амплитуды вибрации;

• повреждения усиливаются с уменьшением частоты взаимного тангенциального смещения;

• повреждения поверхности усиливаются с уменьшением температуры окружающей среды.

1.2.3 Физическое моделирование фреттинга.

Накопленный экспериментальный и практический опыт позволяет объяснить механизмы основных механических и химических процессов, которые развиваются при фреттинге [ 4 ] . Однако, многие ученые объясняют эти механизмы по разному, основываясь на своих экспериментальных исследованиях [ 1,4,7,18,19,35,36,23-32,40 ]. Таким образом, в настоящее время нет единой теории или математической модели, которая более или менее полно и адекватно описывала бы износ поверхностей деталей при фреттинге [ 4,10,20 ].

Одной из первых появилась молекулярная теория, основоположниками которой явились Томплинсон, Торп и Гаф (ТошрИпэоп С.А., ТЬгоре Р.Ь., Соид£|. Н.СГ.) [ 34 ] . Согласно нее на первом этапе фреттинг-износ имеет форму молекулярного изнашивания, вызванного переменным приближением и отделением молекул двух контактирующих под нагрузкой тел. Суть этой теории заключается в том, что если две поверхности достаточной чистоты находятся в контакте под нормальной нагрузкой, то они могут сблизиться настолько, что войдут в пределы взаимного молекулярного притяжения. В результате этого на поверхностях, в местах фактического контакта, появятся многочисленные точки соединения тел с атомной связью. При относительном тангенциальном смещении эти связи могут быть причиной вырыва атомов металла из решетки с образованием свободных частиц с размерами, сопоставимыми с

параметрами решетки. После этого на воздухе происходит их быстрое окисление.

Молекулярная теория основана на том, что фреттинг наблюдается при ничтожно малом относительном смещении поверхностей, около 12,5 А°. Это примерно равно размеру четырех межатомных расстояний, когда обычный износ маловероятен. Однако, с помощью этой теория нельзя объяснить то, что размеры частиц, первоначально удаляемые с поверхности величину от десятков нанометров до нескольких микрометров [ 4,35 ], что намного больше атомных размеров.

Наиболее полно механизм фреттинга был представлен в теории К.г.Р. Райта [ 35 ]. Согласно этой теории на начальном этапе фреттинга в результате адгезии образуются мостики схватывания. При относительном тангенциальном смещении появившиеся связи рвутся с образованием на поверхностях неровностей в виде твердых частиц. При последующем смещении эти частицы могут вызывать микрорезание или пластическое оттеснение материала сопряженной поверхности с образованием продуктов износа, величина которых зависит главным образом от твердости поверхности. Отделившиеся от основного металла частицы в присутствии окислителя, например кислорода на воздухе, образуют различные окислы в зависимости от условий аэрации. Выход образованных окислов из зоны контакта затруднен ввиду малой амплитуды при фреттинге, в результате чего происходит накапливание продуктов износа между сопряженными поверхностями. Это может привести к нарушению работы сопряжения, вызвать заедание подвижного сопряжения. В тоже время, если тангенциальное усилие достаточно большое, чтобы преодолеть заедание, образованный слой окисла предотвращает непосредственное контактирование материала образцов между собой. При этом выход частиц из зоны трения уравновешивается их образованием, таким образом, толщина зоны продуктов износа достигает равновесного значения, создается условие скольжения окисла по окислу, что способствует

снижению скорости износа. Ведущим процессом становится абразивный износ, величина которого определяется твердостью частиц, образованных в результате окисления. Райт определяет это явление как процесс износа, который ускоряется присутствием кислорода, обладающего, с одной стороны, способностью препятствовать переносу металла с поверхности на поверхность и, с другой, приводящего к образованию твердых абразивных частиц [ 35 ] . Примерно такую же трактовку процессам разрушения при фреттинге дали в своей работе Улиг Г.Г. и Реви Р.У. [ 7 ].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Селиванов, Константин Сергеевич, 2000 год

ч ?П -

ГО 10 -

|=Г о 4-

го £2-

а

100 90 80 70 60 50 40 30 20 -10 -■ 0

1

1- шлифование;

2- азотирование;

3- ионная имплантация азота;

100 90

50 40 30 20 10 о

в

т

. 1

т

1 [ т

1С

90

80

70

60 •■

50 -■

40

30 ■•

20 10 -■ О

а- Р=15кН,2Ам=125мкм; б- Р=10кН,2Ам=125мкм; в- Р=15кН,2Ам=50мкм; г- Р=10кН,2Ам=50мкм;

Рисунок 5.2 - Радиальный износ образцов из стали 38ХМЮА

5.1.3 Построение математических моделей и проверка их

адекватности

На основе полученных величин износа для построения адекватных моделей эксперимента были рассчитаны дисперсия вц2 и ошибка Би каждого из проведенных опытов. Дисперсия и ошибка рассчитывались по формулам:

Ч

Уиср ~ ¿-к Учу у=1

I г

8и=^тЕ(Уиу-Уиср); (5.13, 5.14, 5.15)

Г У=1

~ ЛРи)

где и=4 -количество различных опытов [ 100 ].

После проведенных расчетов, если результат одного из параллельных опытов или измерений значительно отличался от остальных и вызывал сомнение, его проверяли одним из статистических способов по следующим критериям:

Грэббса: 1к = |у™~у-р 1 Или 1к ^ 1 Ушшп" Уи"р 1 > 1табл;

8и 8и

'табл '

Ирвина: 8и

л _ I Ушпах Уитт I > л . (5.16, 5.17, 5.1!

Уи-Уи-

и = "" ' "~р' > и

5и

Романовского1: р в табл'

Рассчитанные таким образом значения критериев должны быть не меньше соответствующих табличных [ 101 ].

После реализации опытов в точках плана эксперимента и определения соответствующих дисперсий параллельных опытов необходимо было убедиться в однородности дисперсий зи2, для чего традиционно [ 100,101 ] был использован С-критерий Кохрана:

Примечание. При расчете по критерию Романовского дисперсия эи берется без учета Значений Уитах И Уит:т.

Ор = 4р>Отаб: , (5.19)

и=1

В случае однородности дисперсий параллельных опытов эи2 рассчитывали дисперсию воспроизводимости и ошибку эксперимен та соответственно по формулам:

и=1 (5.20, 5.21)

Если дисперсии всех параллельных опытов оказывались однородными, то это позволяло использовать регрессионный анализ

[ 100 ] .

Для расчета оценок коэффициентов уравнения регрессии был использован метод наименьших квадратов. Ввиду ортогональности столбцов матрицы полного факторного эксперимента коэффициенты уравнения были рассчитаны по следующей формуле:

1 К

и=1

где 1=1; 2 - номер фактора; 1пуиср - средний отклик по трем опытам в точке с номером и [ 100 ].

После расчета коэффициентов уравнения была проведена оценка их статистической значимости с помощью "Ь-критерия Стьюдента по формуле:

М

где ошибки коэффициентов уравнения для полного факторного эксперимента рассчитывались по следующей формуле:

8(Ь0 =

Ку)

л/Ы^г

(5.24.

Вычисленные значения "Ь-критериев были сравнены с табличными [ 101 ] при заданных уровнях значимости и существующих степенях свободы. Если какой-то из коэффициентов уравнения оказывался статистически незначимым (если выполнялось неравенство "Ь! < "Ьграбл) , то он отбрасывался без пересчета остальных. После этого математическая модель процесса вида (5.9) была представлена как уравнение регрессии с факторами и их взаимодействиями, имеющими только значимые коэффициенты [ 100 ].

Далее, полученное уравнение, описывающее исследуемый процесс фреттинга, проверялось на адекватность с использованием Е-критерия Фишера. Для этого оценивались отклонения предсказываемых расчетных значений параметра оптимизации от экспериментальных для каждого из опытов осуществленного эксперимента, что позволило определить дисперсию адекватности для равного числа параллельных опытов по формуле:

? г Д

8«Д =^7ГгХ(Уиср-Уи)/ (5.25)

и=1

где Х=2 - число значимых коэффициентов уравнения; г=3 - число параллельных опытов; N=4 - число независимых опытов. Адекватность уравнения оценивалась с помощью Е-критерия Фишера:

82

= (5.26)

® (у)

Если Етабл > Ер, то гипотеза об адекватности модели принималась для соответствующих степеней свободы £ад~ К1-А,, £е= №(г-1) и принятого уровня значимости [ 100,101 ].

После этого проводилась проверка достаточности использования найденного уравнения первой степени (5.11) для описания искомой зависимости. Для этого проводилась проверка нуль-

гипотезы о том, что сумма всех коэффициентов регрессии ХЬ^ при квадратичных членах XI2 равна нулю для чего должно выполнятся неравенство:

Ь0 - 1пуоср < э (у) , (5.27)

где 1пуоср- среднее значение опытов в центральной точке; Б(у)-ошибка эксперимента.

Для построения математической модели в натуральных переменных было проведено потенцирование уравнения (5.11) и подстановка натуральных значений факторов.

Результаты расчетов всех экспериментов, а также проверки адекватности полученных математических моделей и достаточности использования их линейных членов, приведены в приложении Б.

5.1.4 Анализ результатов математического планирования эксперимента

Все уравнения зависимости линейного износа образцов от внешних факторов были получены в параметрическом виде (5.8). Так, для деталей сопряжения, изготовленного из стали 12Х2Н4А получено

1) после шлифования

_ е 3,530

К

а

Ц-Р

ч8-стту

0,320

Г

2Аш • 8

V У

0,259

(5.28)

2) после шлифования и ионной имплантации азота

и_ = е-5>426

Я,

От J

-0,585

/

2 Аш-Б

V Ка У

1,206

(5.29)

= е 9,796

2Ат-8

V Ка У

0,059

(5.30)

4) после шлифования и цементации

и _ 9,372

— С

я

а

С г>

-0649

2Ат-8

V у

\ 0,443

(5.31)

Аналогичные зависимости также получены для образцов из стали 38ХМЮА:

1) после шлифования

и

Я,

- = е

7,110

д-р

0,790

ту

2Ат-8

0,208

(5.32)

2) после шлифования и ионной имплантации азота

и

.3,268

Я

а

-0,479

ту

2Ат-8

Л 1,055

я

а

(5.33)

3) после шлифования и азотирования

и

- = е

11,754

Б-а

ч-0,260

ту

2 Ат-8

-0,062

(5.34)

На основании полученных результатов и анализа уравнений с

(5.28) по (5.34) можно оценить влияние внешних управляемых факторов: нормальной нагрузки и амплитуды проскальзывания на величину радиального износа образцов. Преобладание того или иного показателя степени говорит о доминирующей роли соответствующего фактора и его наибольшем влиянии на величину износа [ 100 ].

Анализ проведенных исследований позволил установить, что радиальный износ исходного образца, после шлифования без дополнительного упрочнения, возрастает как с увеличением амплитуды проскальзывания, так и с ростом нормальной нагрузки. При этом наиболее значимым является последний фактор. Это связано с тем, что при фреттинге неупрочненной поверхности увеличение нагрузки приводит к увеличению фактической площади контакта и, как следствие, к наиболее интенсивному взаимодействию неровностей. В результате этого быстрее протекают усталостные процессы возникновения, накопления дефектов структуры и ее разрушение.

В результате азотирования поверхности, величина износа образцов в исследуемом диапазоне нагрузок и амплитуд по сравнению с остальными образцами практически остается постоянной и примерно равной 10..20 мкм (рисунки 5.1, 5.2). Это связано с высокой прочностью у" фазы (Ге41Ч) , образованной в результате обработки на некоторой глубине, под слоем твердой, но не прочной £+8 фазы (Бег-эИ) , которая разрушается при фреттинге.

Как показал анализ результатов измерения радиального износа, самыми износостойкими оказались образцы после модификации их поверхности ионной имплантацией азота (рисунки 5.1 и 5.2). При этом все измеренные значения износа оказались меньше ошибки измерения (менее 5мкм), на основании этого можно говорить об условной неизнашиваемости имплантированной поверхности в исследуемом диапазоне нагрузок и амплитуд. Объяснением этому может служить то, что в результате фреттинге изменение геометрии поверхности на столь незначительную величину может происходить в результате выглаживания неровностей следующим образом. Под воздействием внешней нагрузки слой вы-

сокотвердых нитридов, образованных в тонком поверхностном слое порядка 80 нм, подминает нижележащие слои более мягкой матрицы основного материала, увеличивая напряжения сжатия, при одновременном уменьшении шероховатости и увеличении опорной поверхности.

Наибольший радиальный износ образцов наблюдается после их цементации. Из формулы (5.31) видно, что решающее влияние на его величину оказывает амплитуда взаимного смещения, при ее увеличении величина износа достигает своего максимального значения (рисунок 5.16). При фреттинге с увеличением амплитуды смещения одновременно возрастает интенсивность химических реакций вследствие повышения температуры в зоне контакта и свободного доступа кислорода. Таким образом, повышенный износ цементированной поверхности в первую очередь связан с интенсификацией химических реакций и разрушения образующихся окис-ных пленок, что согласуется с данными проведенного коррозионного исследования образцов (глава 4, п.4.1.2). Кроме этого, при повышении температуры может происходить выгорание углерода и уменьшение, вследствие этого, прочности карбидных фаз.

Обобщая полученные результаты, можно утверждать, что на износ при фреттинге наибольшее влияние оказывает амплитуда взаимного проскальзывания при увеличении которой изнашивание поверхностного слоя увеличивается. В отличие от этого рост нормальной нагрузки является сдерживающим фактором развития повреждения для всех образцов, кроме исходного, без поверхностного упрочнения.

5.2 Рентгено-структурный анализ вторичных продуктов

фреттинга

В результате испытания сопряжения на фреттинг (глава 3, п. 3.7 и глава 5, п.5.1) на поверхностях образцов было сформировано ярко выраженное пятно контакта. Визуальный осмотр показал, что оно представляет собой совокупность дефектов в

виде каверн и локальных натертостей, покрытых сверху пятнами окислов (рисунки 5.3, 5.4). Пятна вытянуты вдоль направления перемещения при трении и представляют собой образования красно-бурого и черного цветов по краям пятна контакта. Схематичное представление преимущественного расположения вторичных продуктов износа по поверхности образца представлено на рисунке 5.5.

Красно-бурый продукт износа представляет собой сплошную пленку с хорошей адгезией к основному материалу, точно повторяющий все неровности поверхности. Она покрывает наибольшую площадь пятна контакта, занимая зоны I и II (рисунок 5.5). Ближе к краю пятна (зона I, рисунок 5.5) располагается черная пленка. Визуально она кажется более толстой и рыхлой по сравнению с красной. Кроме этого, она является неоднородной по толщине и более хрупкой, так что свободно отстает от основного материала при приложении незначительного усилия.

Таблица 5.5 - Состав вторичных продуктов коррозии при фрет-тинге

фаза элементы атомное содержание элемента, % весовое содержание элемента, %

черная пленка (зона I) Fe 45,19 72, 87

0 53,16 24,56

Ni 1,01 1,71

Cr 0,49 0,73

красная пленка (зона II) Fe 83,72 92,84

0 13,70 4, 35

Ni 1,53 1,79

Cr 0,80 0, 82

в местах отсутствия пленки (зона III) Fe 97,50 97, 87

0 0,49 0,14

Ni 0, 98 1, 03

Cr 0, 94 0, 87

Кроме этого, можно заметить, что сплошность образования оксидных пленок на поверхности трения изменяется в зависимости от режима фреттинга. Так, при нормальной нагрузке в 10 кН образованные вторичные структуры представляют собой сплошные пленки, которые покрывают большую часть пятна контакта, в основном вокруг его центральной части, свободной от продуктов

износа (рисунок 5.3). При увеличении нагрузки до 15 кН пленки окислов становятся более рыхлыми и прерывистыми в виде штрихов, вытянутых по направлению проскальзывания (рисунок 5.4). Очевидно, что увеличение нагрузки способствует прогрессирующему разрушению окислов и плохому их восстановлению вследствие ухудшения аэрации поверхности контакта.

Микрорентгеноструктурный анализ, проведенный с помощью электронно-рентгеновского анализатора JXA-6400 (фирма JEOL, Дания), позволил определить процентное содержание химических элементов в различных точках пятна контакта образцов из стали 12Х2Н4А. Результаты анализа сведены в таблице 5.5.

а- шлифование; б- шлифование + цементация; в- шлифование + азотирование; г- шлифование + ионная имплантация азота;

Рисунок 5.3 - Общий вид образцов после фреттинга (режимы испытания: Рн=10 кН; 2Ам=125 мкм)

б

а- шлифование; б- шлифование + цементация; в- шлифование + азотирование; г- шлифование + ионная имплантация азота;

Рисунок 5.4 - Общий вид образцов после фреттинга (режимы испытания: Рн=15 кН; 2Ам=125 мкм)

зона I зона II зона III

Таблица 5.6 - Отношение атомных весов химических элементов в

Ее : 0

ЕеО 1 : 3,49

?е203 1 : 2,33

?е304 1 : 2,62

Анализ полученных результатов исследования позволяет установить, что основой всех вторичных продуктов износа являет-

ся основной элемент материала образца - железо. В красной пленке его содержится 92,8% от общего веса, в черной - 72,8%. Такое различие в его содержании объясняется присутствием различного количества кислорода в пленках. Наибольшее его содержание наблюдается в черной пленке - 24,6%, что, по всей видимости, обусловливает ее большую хрупкость. Весовое отношение железа к кислороду у этой пленки равно 1:3,0, что примерно совпадает в с оксидом ЕеО (таблица 5.6). Таким образом можно утверждать, что этот вторичный продукт является гематитом, высококислородноой модификацией оксида железа, образующимся на поверхности трения при свободном доступе кислорода и имеющим черную окраску [ 4,9 ].

В красной пленке весовое содержание кислорода в пять раз меньше, чем в черной (таблица 5.5). Вероятно, это объясняется худшим условием аэрации зоны II, расположенной ближе к центру пятна контакта (рисунок 5.5). При этом отношение атомных весов железа к кислороду у этой пленки равно 1:23,5, что не совпадает ни с одним из возможных оксидов (таблица 5.6). Можно предположить, что такое существенное преобладание в красной пленке железа объясняется влиянием нижележащего основного материала в связи с малой толщиной самой пленки. Вместе с этим, образование красно-бурой или красной пленки при фрет-тинге наблюдалось многими учеными [ 1,4,5,7 ], которые идентифицировали ее как Ее203.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что при фреттинге сопряжений с криволинейными поверхностями контакта может одновременно образовываться сразу две модификации оксида железа в зависимости от расстояния до края пятна контакта. Анализ изношенной поверхности (рисунки 5.3 и 5.4) и схемы распределения зон окислов (рисунок 5.5) показывает, что внешним фактором, влияющим на вид окисла, динамику его возникновения и роста, при достаточно большой амплитуде (не менее 125мкм) является контактная нагрузка. Ее увеличение приводит к уменьшению зазора в сопряжении и к ухудшению доступа кислорода.

Кроме этого, криволинейное распределение нагрузки по пят-

ну контакта, которое приводит к неравномерному окислению металла, является причиной различной интенсивности его износа. Так, например, в тех местах, где существует оксидная пленка (зоны I и II на рисунке 5.5), она, воспринимая часть нагрузки на себя, предохраняет лежащую под ней поверхность детали от разрушения. В тех же местах, где оксидная пленка отсутствует (зона III), всю нагрузку воспринимает основной материал детали, что ведет к зарождению в нем усталостных трещин, их объединению и выкрошиванию металла с поверхности.

5.3 Результаты электронной микроскопии изношенной

поверхности

Визуальный осмотр и проведенный микрорентгеноструктурный анализ сформировавшегося в результате фреттинга пятна контакта показал, что оно представляет собой поверхность с множеством дефектов в виде каверн и локальных натертостей, покрытых сверху пленками различных оксидов железа (п.5.2). Для более подробного исследования поверхности трения и изучения процессов, происходящих при фреттинге, были использованы методы электронной микроскопии (глава 3, п.3.2).

Для проведения электронной микроскопии из образца-вал исследуемого сопряжения после наработки были изготовлены наклонные шлифы согласно методике, изложенной в главе 3, п.3.4, (рисунок 4.12).

Анализ результатов проведенного исследования позволяет установить следующее. В результате фреттинга исходного шлифованного образца (без дополнительной упрочняющей обработки) на его поверхности была сформирована сетка усталостных трещин (рисунок 5.6 г,д), вытянутых по направлению трения образцов . В местах их скопления произошло интенсивное выкроши-вание материала и образование совокупности магистральных поверхностных трещин с неровными, сколотыми краями. Поверх основного материала образована оксидная пленка с большим содержанием легкого химического элемента - кислорода (рисунок 5.6

д,ж) о чем свидетельствует ее светлый цвет на фотографиях. Установлено, что разрушение оксидов начинается с края пленки и носит очаговый характер. При их разрушении образуются частицы износа размером 2-5 мкм (рисунок 5.бж). Далее на фотографии видно (рисунок 5.бе), что образованные частицы скапливаются внутри образованных трещин. Из рисунока 5.6 а,б видно, что под воздействием переменной тангенциальной нагрузки при фреттинге, ферритные зерна вытягиваются в различных направлениях, образуя собой ротационные фигуры в виде петель и завихрений, в центрах которых образуются микротрещины (рисунок 5.6а,б). Установлено, что свое начало усталостные трещины берут непосредственно на поверхности трения и, далее, под воздействием касательной нагрузки развиваются в глубь материала по некоторому радиусу. При этом через некоторое расстояние от своего начала (приблизительно 10 мкм, рисунок 5.6а) образованные трещины снова выходят на поверхность. При этом от нее отделяется часть материала в виде лепестка, а на самой поверхности образуется каверна глубиной около 5 мкм. Очевидно, что ведущий механизм разрушения поверхности - усталостный.

Анализ микрофотографий, полученных с цементированных образцов показывает, что в результате фреттинга на их поверхности также была образована сетка усталостных трещин. Из рисунок 5.7г,д видно, что они развиваются вдоль направления трения и при этом объединяются с соседними посредством разрушения материала между ними. Таким образом, их края становятся неровными, что способствует их прогрессирующему разрушению. На цементированных образцах также образуется оксидная пленка (рисунок 5.7д,ж). Механизм ее разрушения, как и в предыдущем случае, усталостный посредством выкрошивания частиц материала от края к центру. Размер образуемых при этом частиц примерно равен 7-10 мкм. Структуру основного материала составляет эв-тектоидный перлит с сеткой цементита (рисунок 5.76,в), исчезающей по мере приближения к зоне трения. Основу поверхностного слоя составляет доэвтектоидная структура со светлыми зернами феррита (рисунок 5.7а).

$ 4 -4

шМшт ЖРШ&Ш'

Ш< * * • * $ I......................I 1 Пълг»** ^ о пп

«л V .-« * » <. ' ~

ч' ч- * •. " -

Д

о-

Г

] I

ио

1>

Сталь 12Х2Н4А (шлифование)

режим фреттинга: Рн = 15 кН; 2Ам = 125 мкм; N = 10° циклов; £ = 100 Гц

н ЮОмкм х500

< 1.Омкм х2 ООО

_ чййАИ

1мкм х4 500

|—|10мкм х550

...

•) Юмкм х2 500

Сталь 12Х2Н4А (цементация)

режим фреттинга; Рн = 15 кВ; 2Ам =125 мкм; N = 106 циклов; £ = 100 Гц

Сталь 12Х2Н4А (азотирование)

режим фреттинга: Рн = 15 кН; 2Ам = 125 мкм; N = 106 циклов; f = 100 Гц

I2ftlS00

в *

б *-Iiomkm х2 ООО

1 ЮОмкм хЗОО

и. ' - - iii.

I-rilÖMKM х2 ООО

Юмкм х500

в ,-|10мкм х2 ООО

Микротрещины, которые образуются на поверхности трения азотированных образцов, отличаются от остальных по своей форме (рисунок 5.8г,д,е). Они направлены вдоль направления скольжения и как бы образованы путем выкрошивания глобулярных частиц размером 2,5-3 мкм (рисунок 5.8е). Усталостные трещины также зарождаются на поверхности трения и распространяются в нее по некоторому радиусу (рисунок 5.8а). Основной материал покрыт сверху рыхлой пленкой оксидов. Они характеризуются неравномерной толщиной пленки, которая, разрушаясь, образует периодический волновой рельеф поверхности (рисунок 5.8д). Исследование наклонного шлифа показывает, что поверхностный слой, как и следовало ожидать, полностью состоит и е-фазы (Ее21Я) , размер которой по границам зерен может достигать десятка микрометров (рисунок 5.8а,б,в).

Исследования поверхности после ионной имплантации азота показали, что усталостные микротрещины имеют небольшую глубину и, развиваясь, образуют поверхность в виде совокупности наклонных ступенек, заполненных вторичными продуктами износа (рисунок д) . Образованные трещины, как и в предыдущих случаях, вытянуты вдоль направления скольжения и носят периодический характер. Плотной пленки оксидов на образце не обнаружено. Вместе с тем, визуальный осмотр показал, что оксид железа на поверхности все же присутствует, но в виде мелких округлых пятен светло рыжего цвета. Следов развития усталостных трещин вглубь материала по периметру поверхностного слоя шлифа не обнаружено.

5.4 Испытание на стойкость при фреттинге образцов из титанового сплава ВТб

5.4.1 Исследования влияния ионной имплантации азота на схватывания при фреттинге

Для исследования возможности применения ионной имплантации азота в качестве способа защиты поверхностей титановых

сплавов от схватывания при фреттинге были проведены следующие испытания. В качестве объекта исследования были выбраны образцы с криволинейными контактирующими поверхностями типа "вал-втулка" из титанового сплава ВТб. Ионное модифицирование поверхности проводилось на установке "ВИТА" при режимах: энергия ионов азота Е=30кэВ; доза Б=2-1017 ион/см2; давление вакуума Р=10~4 Па.

Испытания образцов на фреттинг проводились по методике, изложенной в главе 3, п.3.7, при следующих режимах:

• амплитуда взаимного перемещения образцов 125 мкм;

• осевая нагрузка на сопряжение образцов от 4 до 12 кН;

• средняя частота взаимного перемещения поверхностей образцов 70 Гц.

О 20 40 60 80 100

количество циклов до схватывания, 103 Рисунок 5.10 - Влияние ионной имплантации на схватывание

Управляемым внешним параметром была прилагаемая на сопряжение нагрузка, а измеряемым - время до начала схватывания материала, то есть время до появления на сопряженной поверхности образцов заметным невооруженным глазом вырывов, каверн, наростов и других характерных дефектов схватывания [ 10 ] . Полученные результаты испытания приведены на рисунке 5.10. Из рисунка видно, что по мере увеличения радиальной нагрузки, количество циклов до схватывания у ионо-модифицированных об-

разцов по сравнению с исходными (полированными) заметно увеличивается. При этом расширяется диапазон нагрузок (до 12кН) при которых схватывание не наблюдается.

Такой рост стойкости у модифицированных образцов можно объяснить процессами, происходящими в поверхностном слое после его ионной имплантации и существенно влияющими на адгезионные и триботехнические характеристики титана.

Особую роль при ионном легировании играет образование новых метастабильных фаз имплантированного вещества, которые не создаются традиционными методами химико-термической обработки. В частности, в результате ионного легирования азотом происходит образование мелкодисперсных твердых растворов нитридов в виде у4-фаз в мягкой матрице основного материала [ 70,79 ]. В результате этого наблюдается снижение способности титана к адгезионному взаимодействию и, как следствие, увеличение его стойкости. При этом из рисунка 5.10 видно, что такая стойкость увеличивается с ростом внешней нагрузки, что объясняется увеличением площади фактического контакта и усилением эффекта ионного легирования.

5.4.2 Исследование влияния различных технологических методов упрочнения на стойкость при фреттинге

Испытания на стойкость при фреттинге проводили согласно методике, изложенной в главе 3, п.3.7) при следующих режимах:

• осевая нагрузка на сопряжение Еп равна 4 и 6 кН;

• амплитуда проскальзывания 2Ат равна 100 мкм;

• частота качания 1 равна 50 Гц;

• количество циклов N равна 2-105.

В связи с возможностью схватывания образцов при фреттинге, для испытания вместо целой была использована разрезная втулка с впрессованной в нее шпонкой для фиксации в зажимном устройстве установки (рисунок 5.12).

(исходное состояние)

л

5а

56

азота (ИИ)

• 1а 1 мшИб

5. ионное азотирование (ИА) + Т1Ы

б. ИИ + Т1Ы + ИА

ба

66

Ф

« чЗГ V.

и!;1N

« ■•дн^

Г.

\

г

111

26

За

.36

7. ИА + ИЫ + ИА

*

, >

г щШ

¡¡¡1 ¡¡¡||11

1111111 т * гЯрв

4а

46

а- нормальная нагрузка на сопряжение 4 кН; б- нормальная нагрузка на сопряжение 6 кН;

• частота взаимного колебания образцов 50 Гц;

• амплитуда взаимного смещения образцов 100 мкм;

• база наработки 2-105 циклов.

Рисунок 5.11 - Изношенная поверхность образцов из сплава ВТб

В результате фреттинга образцов из титанового сплава ВТб была сформирована дефектная поверхность в виде вырывов, светлых натертостей и темных пятен окислов (рисунок 5.11).

Исследование поврежденности пятен контакта проводилось по двум показателям (рисунок 5.13 и 5.14):

• относительная площадь повреждения (ОПП),%;

• средняя интенсивность поражения поверхности (СИП),% от ОПП;

Под средней интенсивностью поражения здесь понимается появление цветов побежалости поверхности от 0%- исходная поверхность (без наработки) до 100% - образование пятен черного цвета.

Показатель ОПП позволяет оценить влияние того или иного метода обработки на склонность поверхности к образованию повреждений в процессе фреттинга. При этом повреждения, как уже было сказано, изменяются от светлых потертостей (рисунок 5.11, 26 и 6а) до пятен оксидов черного цвета (рисунок 5.11, 2а, 36)

Показатель СИП указывает на сколько активно поверхность участвует в процессе окисления после того или иного метода обработки. Так, например, если СИП-»100%, то вся поврежденная поверхность трения покрыта пятнами окислов. Если же СИП—>0%, то образованные повреждения представляют собой локальные на-

Рисунок 5.12 - Исследуемое сопряжение

тертости без изменения цвета.

Анализ полученных результатов позволяет установить, что при малой нормальной нагрузке 4кН наиболее стойкими оказались образцы, обработанные по комбинированной схеме ионная имплантация или ионное азотирование с последующим покрытием нитрида титана. У них повреждение поверхности составило менее 10%, в то время, как, например, у образцов без поверхностной обработки ОПП превысило 30% (рисунок 5.13).

Наибольшую стойкость к образованию поверхностных оксидов в виде черных пятен показала поверхность, обработанная по схеме ИА+ИЫ+ИА (СИП=43%). Вероятно, в этом случае в поверхностном слое образуется высокая концентрация нитридных фаз, несклонных к окислению, что резко сокращает вероятность образование оксидов.

Таблица 5.7 - Результаты исследования поврежденной поверхно-

сти .

средняя интен- относительная

вид технологического метода обработки сивность по- площадь по-

вреждения вреждения, %

а б а б

1 .шлифование (исходное состояние) 0.76 0.80 0.31 0.32

2 .ионная имплантация 0. 62 0.86 0.08 0.27

3 .покрытие TiN 0.76 0.69 0.21 0.08

4 .ионная имплантация + TiN 0. 60 0.56 0.22 0.07

5 .ионное азотирование + TIN 0. 62 0.83 0.13 0.07

6 .ионная имплантация + TiN + ионное азо- 0.48 0.78 0.15 0.06

тирование 0. 53 0.43 0.10 0.27

7 .ионное азотирование + TiN + ионное азо-

тирование

а - среднее нормальное давление в сопряжении б кН;

б - среднее нормальное давление в сопряжении 4 кН;

При повышении нормальной нагрузки до бкН картина повреждаемости титановых образцов резко меняется (рисунок 5.13). Наименее повреждаемыми оказались образцы после ионной имплантации (0ПП=8%) и комбинированной обработке по схеме ИА+Т1Ы+ИА (ОПП=Ю%). При этом, поверхность после комбинированной обработки, как и в предыдущем случае, показала наибольшую стойкость к образованию оксидов (СИП=53%).

Вместе с этим стабильно высокий износ наблюдается только

у не упрочненных образцов. У них повреждаемость поверхности несколько возросла и составила 32%, при средней интенсивности повреждений 27% (рисунок 5.14).

Таким образом, можно сделать вывод, что с повышение нормальной нагрузки в сопряжении наибольшую стойкость при фрет-тинге титановые образцы проявляют после ионной имплантации азота (что подтверждает полученные ранее результаты для сталей в п.5.1). Одним из возможных комбинированных способов упрочнения является последовательная обработка ионным азотированием, затем покрытием нитрида титана и, затем, снова ионным азотированием. Вероятно, что модифицированная таким образом поверхность, с одной стороны, в виду своей высокой твердости стойка к абразивному износу, а с другой - благодаря высокой концентрации азота, не склонна к окислению при фреттинге (согласно данным, полученным ранее в главе 4, п.4.2.2).

Относительная площадь повреждения (ОПП) Средняя интенсивность поражения (СИП)

3 4 5

вид обработки

Рисунок 5.13 - Результаты исследования поврежденной поверхности (нормальная нагрузка Рн равна 4 кН)

5.5.1 Исследование микротвердости стальных образцов

Измерения микротвердости поверхности образцов проводилось на пятне контакта образца-вал, покрытого образовавшимися в процессе трения вторичными продуктами износа. Исследование проводили после их фреттинга по методике, описанной в главе 3, п. 3 . 4 .

Результаты измерения приведены на рисунке 5.15. Кроме этого, было рассчитано относительное разупрочнение поверхности (А,%) в результате фреттинга по формуле

А = (1--— Нц1)-100% (5.36)

Нц0

где Нр,0— микротвердость исходной поверхности (без наработки) , МПа; Hjxi- микротвердость поверхности после фреттинга, МПа. Результаты расчета приведены в таблице 5.8. При этом, значение разупрочнения, полученное с отрицательным знаком, свидетельствует о повышении микротвердости по сравнению с исходным значением.

Таблица 5.8 - Изменение микротвердости поверхности в результат е^фреттинт1 а _

цементация шлифование азотирование ионная имплантация азота

до наработки 7254 4085 6483 4384

после фреттинга 6943 3960 6980 5230

величина разупрочнения, % 4,29 3,06 -7, 67 -19,30

Принимая во внимание то, что все образцы перед упрочняющей обработкой подвергались шлифованию, выводы о влиянии конкретного вида упрочнения на величину микротвердости после фреттинга можно сделать после расчета относительной микротвердости (Ном, МПа). Ее величина рассчитывается по формуле

глубина, мкм

Рисунок 5.15 - Микротвердость поверхностного слоя образцов после их фреттинга

глубина, мкм

Рисунок 5.16 - Относительная микротвердость поверхностного слоя образцов после их фреттинга

где Нуо -микротвердость образца после упрочняющей обработки; Нш - микротвердость исходного шлифованного образца.

Анализ результатов исследования позволяет сделать следующие выводы. У цементированных образцов в результате фреттинга происходит падение микротвердости по глубине диффузионного слоя, примерно на 300 МПа. Такое разупрочнение может протекать, например, из-за выгорания углерода при трении [ 91 ] или в результате распада карбидной фазы [ 3 ] . Это подтверждается результатами исследований [ 91,112 ], где было отмечено, что при трении наблюдается диффузия углерода к поверхности, где он окисляется и удаляется в процессе взаимодействия поверхностей вместе со вторичными продуктами. В результате этого происходит уменьшение твердости цементированной поверхности, ускоряющее процесс изнашивания [ 51,91 ].

У образцов после азотирования, наоборот, в процессе фреттинга наблюдается увеличение микротвердости поверхности, примерно на 500 МПа (таблица 5.8). Кроме этого, по глубине наблюдается слой с примерно одинаковой микротвердостью, равной 600-700 МПа и толщиной около 100 мкм (рисунок 5.15). Такие изменения свойств объясняются разрушением поверхностного слоя хрупких из-за большого содержания азота фаз нитридов и выхода на поверхность более прочной у4-фазы, что определяет способность азотированного слоя к деформационному упрочнению [ 50 ].

У образцов после имплантации азота в результате фреттинга также наблюдается увеличение микротвердости поверхности, примерно на 1000 МПа. Такое упрочнение связано с тем, что большая нагрузка, действующая на фактических пятнах контакта при фреттинге (до 933 МПа, расчет проведен во второй главе, таблица 2.4), вызывает в приповерхностном слое значительное увеличение дислокаций, которые не могут выйти на поверхность из-

за образованного слоя мелкодисперных нитридных у1-фаз и радиационных дефектов. Кроме этого, свободные ионы азота взаимодействуют с образующимися при фреттинге дислокациями, образуя атмосферы Котрелла, и, таким образом, препятствуют их перемещению и скапливанию. В результате в поверхности возникают значительные напряжения сжатия, действующие по глубине до ЗООмкм (рисунок 5.15), что и определяет значительное увеличение микротвердости, почти на 20%.

Исследование микротвердости вторичных продуктов износа

В результате проведенного рентгено-структурного анализа (глава 5, п.5.2) было установлено, что на поверхности образцов в результате фреттинга образуются вторичные продукты износа: в виде красной пленки (оксид железа Ее203) и в виде рыхлой черной пленки (гематит ЕеО). Изучение механических свойств вторичных продуктов износа проводилось путем исследования микротвердости при использованием различных нагрузок на индентор микротвердомера: 0,2 0,5 1,0 и 2,0 Н по методике, описанной в главе 3, п.3.4. Полученные результаты (рисунки с 5.17 по 5.24) измерений позволяют судить об изменении механических свойств по глубине поверхности образца.

У шлифованных образцов в результате фреттинга наблюдается уменьшение микротвердости поверхности. Установлено, что при увеличении нормальной нагрузки с 10 до 15 кН наибольшее разупрочнение перемещается в приповерхностный слой, глубиной от 3 до 5 мкм (рисунок 5.18). В этом случае величина микротвердости уменьшается примерно на 1000 МПа по сравнению с исходным образцом, не подвергавшегося износу. В тоже время, необходимо заметить, что микротвердость поверхностного слоя глубиной до 3 мкм остается постоянной, равной примерно 1500 МПа (рисунки 5.17 и 5.18), и от режима трения не зависит. Это объясняется особенностью усталостного разупрочнения поверхностных слоев при трении, когда наибольшее разупрочнение происходит не на

самой поверхности, а на некоторой ее глубине, что объясняется циклическим действием максимальных напряжений при сжатии двух цилиндрических тел [ 10 ].

Очевидно, что микротвердость вторичных продуктов износа (пленок оксида и окалины) зависит только от химического состава соответствующей им фазы. Проведенный ранее рентгено-структурный анализ (глава 5, п.5.2) показал, что окислы, которые образуются на поверхности трения, являются однофазными структурами и, поэтому, их микротвердость по глубине можно считать постоянной. В этой связи становится возможным оценить толщину окисных пленок, а также определить их влияние на поверхность основного материала.

Из рисунков 5.17 и 5.18 видно, что микротвердость пленки оксида железа на поверхности образца примерно равна 1000 МПа и при изменении режима фреттинга остается постоянной. С увеличением глубины проникновения индентора твердомера, величина микротвердости оксида начинает расти, что связано с влиянием ниже лежащей поверхности основного материала. На глубине около 4-5 мкм микротвердость пленки оксида и основного материала совпадают и, далее, остаются примерно одинаковыми. Из этого можно сделать вывод, что толщина пленки оксида железа, образующейся при фреттинге, не превышает 4 мкм.

Что касается пленки окалины, то ее микротвердость равна примерно 510 МПа (рисунки 5.17,18) и остается постоянной при различных внешних нагрузках. В отличие от этого толщина пленки зависит от режима трения, так, что при нормальной нагрузке 10 кН ее величина превышает 9 мкм, а при увеличении нагрузки до 15 кН, уменьшается и становится равной 7 мкм. Такое уменьшение обусловливается более жесткими условиями фреттинга, приводящими к разрушению окалины, а также, возможно, с ухудшением условий аэрации и сокращению роста пленки.

У азотированных образцов значительного изменения микротвердости в тонких слоях поверхности не наблюдается. Это особенность сохраняется как при фреттинге с нормальной нагрузкой 10 кН, так и при ее увеличении до 15 кН (рисунки 5.19 и

Л &

О

№

с 7500 -1 ^ 7000 6500 -60005500 Ф

Ю 5000 § 4500 4000 ^ 3500 3000 2500 2000 1500 -) 1000 500

3

I

10

5 6 7 8 9

глубина проникновения индентора, мкм

Рисунок 5.18 Микротвердость поверхности шлифованных образцов после фреттинга с нормальной нагрузкой 15 кН

В отличии от пленки оксида железа, окалина проявляет стабильность своих механических свойств. Ее микротвердость не проявляет зависимость от внешней нагрузки при фреттинге и равна 2800-3000 МПа.

Изменение микротвердости поверхности цементированных образцов при фреттинге происходит одинаково, не зависимо от внешней нагрузки (рисунки 5.21, 5.22). На глубине порядка 5 мкм микротвердость достигает своей максимальной величины, которая превышает исходную примерно на 2000 МПа. Такое упрочнение является следствием предельного наклепа поверхности, после которого должен происходить резкий сброс напряжения путем разрушения поверхности или образования микротрещин [ 60 ] . Подтверждением этому служит то, что по мере приближения к поверхности наблюдается ее значительное разупрочнение, примерно на 1000 МПа, по сравнению с исходной, не подвергавшейся фреттингу.