Формирование износостойких поверхностных структур в процессе трения под воздействием твердых наноразмерных модификаторов смазочных материалов

Формирование износостойких поверхностных структур в процессе трения под воздействием твердых наноразмерных модификаторов смазочных материалов

П.А. Витязь, В.И. Жорник, В.А. Кукареко

Институт механики и надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220072, Беларусь

Показано, что модифицирование смазочного материала наноразмерной алмазосодержащей шихтой приводит к увеличению интенсивности приработки фрикционной пары сталь - сталь. Установлено, что при контактном давлении в зоне трения ра = = 10...20 МПа и модифицировании смазочного материала наноразмерными алмазографитовыми добавками происходит снижение интенсивности изнашивания образцов из стали 45 вне зависимости от уровня исходной твердости поверхности трении. При более высоких контактных давлениях (ра= 30 МПа) положительный эффект от модифицирования смазочного материала снижается по мере увеличения исходной твердости поверхности трения.

Formation of wear resistant surface structures in friction under the action of nanosized solid modifiers of lubricants

P. A. Vityaz, V.I. Zhornik, and V.A. Kukareko

Institute of Mechanics and Reliability of Machines NASB, Minsk, 220072, Belarus

The paper shows that lubricant modification with a nanosized diamond-containing mixture leads to an increase in wear-in intensity of a steel-steel friction pair. It is found that at the contact pressure in the friction zone ра = 10...20 MPa and lubricant modification with nanosized diamond-graphite admixtures wear intensity of specimens of steel 45 decreases, independently of the initial hardness of the friction surface. At higher contact pressures (ра = 30 MPa) the positive effect of lubricant modification decreases as the initial hardness of the friction surface grows.

1. Введение

Структурное состояние поверхностных слоев элементов пар трения в значительной степени определяет ресурс трибосопряжения. Процесс разрушения контактирующих поверхностей трения в режиме нормального изнашивания начинается с образования и распространения зародышевых трещин при трении упругопласти-ческих тел. Приложенная к телу внешняя сила вызывает при трении скольжения возникновение в поверхностном слое напряжений растяжения-сжатия, приводящих к уп-ругопластическим деформациям и формированию микротрещин. Образование в поверхностях трения субмикрокристаллической и нанокристаллической структур вследствие присущих им чрезвычайно высоких плас-

тических свойств способствует эффективному поглощению энергии фрикционного взаимодействия при трении и обеспечивает высокое сопротивление зарождению и распространению микротрещин [1, 2]. Одним из эффективных методов получения материалов с субмикрокристаллической и нанокристаллической структурами является интенсивная пластическая деформация [3]. Формирование подобных структур в поверхностных слоях элементов пар трения возможно в процессе трибо-контакта в среде смазочного материала, содержащего наноразмерные компоненты из сверхтвердых материалов [4, 5]. При этом несмотря на имеющиеся публикации по применению наноразмерных частиц для модифицирования смазочных материалов в литературе от-

© Витязь П.А., Жорник В.И., Кукареко В.А., 2006

сутствуют систематические данные о влиянии твердых наномодификаторов на структурные превращения в поверхностных слоях элементов пар трения.

Цель данной работы состояла в изучении особенностей структурных превращений в поверхностях трения, эксплуатирующихся в среде смазочных материалов, содержащих наноразмерные алмазографитовые присадки, и оценке влияния этих процессов на трибо-технические свойства пар трения.

2. Методика исследования

Исследования триботехнических характеристик проводили при граничном трении с использованием масла И-20А производства ПО «Нафтан» (Беларусь) и пластичной смазки Ш8102 фирмы Loctite (Австрия). В качестве модифицирующей добавки использовали алмазосодержащую шихту УДАГ производства НП ЗАО «Синта» (Беларусь), представляющую собой смесь алмазной и графитоподобной фаз со средним размером углеродных кластеров 4...6 нм с содержанием алмазной фазы около 50 мас. %. Триботехнические испытания проводили на автоматизированном трибометре, работающем по схеме возвратно-поступательного перемещения. Образцы для исследований изготавливали из отожженной и закаленной стали 45. Твердость отожженных стальных образцов составляла HV = 1700 МПа, твердость закаленных стальных образцов HV = = 6000...6400 МПа. Материал контртела — закаленная сталь 60Г (Щ = 6700...7000 МПа). Номинальную удельную нагрузку при триботехнических испытаниях выбирали в диапазоне от 5 до 30 МПа. Средняя скорость перемещения образца относительно контртела в процессе трибоиспытаний составляла =0.1 м/с. Для исследования фазовых и структурных превращений в поверхностях трения использовали рентгеноструктурный анализ с помощью дифрактометра D8ADVANCE (фирма Вгискег, Германия), измерение твердости по Виккерсу проводили при нагрузке 49 и 296 Н. Измерение микротвердости осуществляли при нагрузке 0.98 Н. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Микро-200 производства концерна «Пла-нар» (Беларусь). В качестве триботехнических характеристик, подлежащих оценке в процессе испытаний, были выбраны коэффициент трения и весовой износ.

3. Результаты и их обсуждение

Исследование влияния давления испытаний на режим приработки и триботехнические свойства фрикционной пары «отожженная сталь 45 - закаленная сталь 60Г» при работе в среде немодифицированного и модифицированного добавками УДАГ масла И-20А проводили при номинальном контактном давлении испытаний ра, равном 10, 20 и 30 МПа. В результате испытаний установлено, что в случае испытаний с относи-

тельно низким номинальным контактным давлением (ра =10 МПа) весовой износ образцов стали 45 при трении в среде модифицированного масла И-20А существенно превышает (в =2 раза) весовой износ образцов, испытываемых в немодифицированном масле. Динамический коэффициент трения фрикционной пары, работающей в среде модифицированного масла, на начальных стадиях испытаний составляет /д = 0.10...0.11 и затем, по мере увеличения пути трения I, регистрируется постепенное снижение значений коэффициента трения до /д = 0.08...0.09 (I = 1000...1500 м) и /д = 0.07...0.08 (I = 2500...3 000 м). Подобное изменение коэффициента трения связано с процессами приработки фрикционной пары. В случае немодифицированного масла ход зависимости коэффициента трения от пути трения аналогичен описанному выше. Вместе с тем, процессы приработки контактирующих поверхностей в немодифицированном смазочном материале замедлены, и значения коэффициента трения на поздних стадиях испытаний превышают соответствующие значения /д для случая испытаний с маслом, содержащим добавки УДАГ.

Увеличение номинальных давлений испытаний до ра = 20 МПа приводит к сближению зависимостей весового износа стали 45 от пути трения для случаев испытаний в среде модифицированного и немодифицирован-ного масла. Следует отметить, что при испытаниях смазочного материала с добавками УДАГ интенсивность изнашивания стали 45 после пути трения 2 500 м резко падает. На этой же стадии испытаний регистрируется и существенное снижение значений коэффициента трения (/д = 0.06...0.065). В немодифицированном масле И-20А интенсивность изнашивания стали 45 на протяжении испытаний сохраняется на высоком уровне, а значения коэффициента трения на поздних стадиях испытаний даже возрастают и достигают уровня /д = 0.11...0.115.

В случае испытаний с контактным давлением ра = = 30 МПа модифицирование смазочного материала УДАГ приводит к сокращению периода приработки, значения коэффициента трения уменьшаются до уровня /д = 0.06...0.065 уже на ранних стадиях испытаний, при этом наблюдается существенное снижение интенсивности изнашивания стали (в 2-3 раза). Фрикционные испытания в среде немодифицированного масла с высокими контактными давлениями сопровождаются быстрой интенсификацией процессов изнашивания и увеличением значений коэффициента трения до уровня /д = = 0.12...0.13 уже на самых ранних стадиях испытаний.

Результаты испытаний показывают, что добавление УДАГ в масло И-20А интенсифицирует процесс приработки фрикционного сопряжения. При испытаниях в области высоких контактных давлений добавление УДАГ существенно уменьшает интенсивность изнашивания и эффективно снижает коэффициент трения три-бопары. Одной из возможных причин указанного эф-

фекта может являться упрочнение поверхностных слоев отожженной стали 45 за счет формирования в них дислокационных субструктур и модифицирования поверхности трения частицами ультрадисперсных алмазов в процессе фрикционного взаимодействия. С целью проверки указанного предположения в работе проведены дополнительные триботехнические испытания с немо-дифицированным маслом И-20А образцов стали 45, прошедших предварительную приработку в среде модифицированного смазочного материла. Результаты три-ботехнических испытаний свидетельствуют о сохранении высокой износостойкости и низкого коэффициента трения у образцов стали 45, подвергнутых предварительной приработке в среде масла И-20А, модифицированного УДАГ (рис. 1).

Характер изменения морфологии поверхностей трения в процессе фрикционного взаимодействия в условиях граничного трения с модифицированными жидкими смазочными материалами показан на рис. 2. В результате триботехнических испытаний с маслом И-20А стандартного состава при номинальных давлениях ра = = 10...20 МПа поверхность закаленной и отожженной стали 45 выглаживается и приобретает зеркальный блеск. На поверхности регистрируются полосы, связанные с пластическим деформированием тонких поверхностных слоев в процессе фрикционного взаимодействия с контртелом. Микротвердость поверхностных слоев после фрикционного взаимодействия при ра = = 20 МПа достигает уровня Н^ = 2 500 МПа для образ-

0.8

г," 0.6

0.24

0.20

ш о. н н

X

ш =г 8-

о о

0.16

0.12

0.08

0.04

0.00

Сталь 45 (отжиг), смазка - масло И-20А 1 - давление 10 МПа - 2 - давление 20 МПа 3 - давление 30 МПа

0

1000 1500 Путь трения, м

2000

Сталь 45 (отжиг), смазка - масло И-20А

1 - давление 10 МПа

2 - давление 20 МПа " 3 - давление 30 МПа ' 4 - давление 30 МПа

500 1000

Путь трения, м

1500

Рис. 1. Зависимость весового износа

Рис. 2. Микроструктура поверхности трения отожженной стали 45 (смазка: масло И-20А (а), масло И-20А + УДАГ (б, д); давление: 20 (а), 30 МПа (б, д)) и закаленной стали 45 (смазка: масло И-20АГ (в), масло И-20А + УДАГ (г, е); давление: 20 (г), 30 МПа (в, е)). Контртело — закаленная сталь 60Г

Рис. 3. Микроструктура поверхности треиия отожженной стали 45 после испытаний в среде модифицированного УДАГ смазочного материала: а — масло И-20А, давление 10 МПа; б — пластичная смазка КГ 8102, давление 5 МПа. Контртело — закаленная сталь 60Г

цов отожженной стали 45 и Н^ = 6700 МПа для образцов закаленной стали. Модифицирование масла И-20А ультрадисперсной алмазографитовой шихтой приводит к уменьшению шероховатости поверхности трения образцов закаленной и отожженной стали, испытанных при 10 и 20 МПа (рис. 2, а, г). Микротвердость поверхности трения (ра = 20 МПа) отожженной стали 45 возрастает до Нц = 2900 МПа, а закаленной — до Нц = = 7 000 МПа. Увеличение номинального контактного давления до ра = 30 МПа приводит к существенным изменениям в морфологии поверхностей трения для образцов сталей, испытывающихся с немодифицирован-ным и модифицированным УДАГ маслом И-20А. В частности, для отожженной стали 45 испытание при высоких контактных давлениях (ра = 30 МПа) в среде не-модифицированного масла И-20А сопровождается пластифицированием поверхностного слоя и его интенсивным изнашиванием вследствие адгезионного взаимодействия с материалом контртела. На поверхности трения обнаруживаются участки, содержащие большое количество микротрещин и глубинных вырывов, образовавшихся на месте частиц износа (рис. 2, б). Микротвердость отожженной стали 45 достигает уровня Н^ =

= 2700 МПа. Добавки ультрадисперсных алмазов в масло И-20А приводят к существенному снижению интенсивности изнашивания и увеличению микротвердости поверхности трения для образцов отожженной стали 45 до Нц = 3 300 МПа. Поверхность трения при этом выглаживается (рис. 2, Э). При большом увеличении на поверхности трения образцов отожженной стали, прошедших испытания с модифицированном УДАГ смазочном материалом, обнаруживаются заглаженные пластифицированные участки (рис. 3, а). Для образцов закаленной стали, испытанных со стандартным маслом И-20А, характерно сохранение выглаженного рельефа (рис. 2, в), микротвердость слоя сохраняется на уровне Нц = 7000 МПа, тогда как модифицирование масла И-20А добавками УДАГ приводит к интенсификации процесса изнашивания закаленной стали 45 и сопровождается образованием на поверхности испытываемых образцов областей повышенного износа с развитой шероховатостью (рис. 2, е).

Из представленных в табл. 1 данных можно видеть, что в процессе испытаний сильно возрастает микротвердость поверхностного слоя отожженной стали (до ~2 раз). Сопоставляя данные по структурным парамет-

Значения микротвердости Н^ и структурных параметров отожженной стали 45 после различных режимов триботехнических испытаний

Таблица 1

Материал

Режим испытаний

Н ^, МПа

РШ,Ю 3 рад

Р220'10 3 рад

в 220 / Рп

D, мкм

Сталь 45

10 МПа И-20А

10 МПа И-20А + УДАГ

20 МПа И-20А

20 МПа И-20А + УДАГ

30 МПа И-20А

30 МПа И-20А + УДАГ

2350

2700

2500

2950

2700

3 300

1.9

2.3

2.2

2.5

2.3

3.3

2.9

3.8

3.2

4.0

4.1

6.0

1.6

1.7

1.5

1.6

0.13

0.10

0.12

0.09

0.09

0.06

рам поверхностей трения стали после испытаний с модифицированным и немодифицированным маслом И-20А, можно видеть, что присутствие в смазочном материале добавок УДАГ приводит к существенному увеличению физического уширения дифракционных линий матричной а-фазы. Последнее свидетельствует о том, что в процессе трения с модифицированным УДАГ смазочным материалом в тонких поверхностных слоях пластичной стали 45 формируется ультрадисперсная субзеренная структура, характеризуемая существенно меньшим размером блоков D, по сравнению со случаем испытаний в среде немодифицированной смазки. Фактически в процессе испытаний с маслом, модифицированным УДАГ, в поверхностном слое формируется на-норазмерная субструктура, характеризующаяся размером субзерен < 100 нм. С увеличением давления испытаний регистрируемые величины в возрастают и увеличивается различие в их значениях для случаев модифицированного и немодифицированного масла И-20А. Измельчение формирующейся при трении субзеренной структуры, характеризуемое размером блоков D, сопровождается пропорциональным увеличением микротвердости поверхности трения (табл. 1). В частности, в результате триботехнических испытаний при давлении 30 МПа микротвердость поверхностного слоя возрастает в -2 раза.

Аналогичные явления были установлены и при испытаниях пар трения в присутствии пластичной смазки КГ8102. В частности, было выявлено, что в результате интенсивной пластической деформации в процессе фрикционного взаимодействия в среде модифицированной УДАГ пластичной смазки в поверхностных слоях стали существенно увеличивается плотность дефектов и образуется субзеренная структура (рис. 3, б). Образование на стадии приработки в поверхностях трения на-норазмерной субзеренной структуры вследствие присущих ей чрезвычайно высоких пластических свойств обеспечивает эффективное поглощение энергии фрикционного взаимодействия при трении и облегчает приработку контактирующего сопряжения. Кроме этого, такие структуры характеризуются высоким сопротивлением зарождению и распространению микротрещин, формирующих частицы износа.

4. Выводы

Проведенные после триботехнических испытаний исследования поверхностей трения образцов отожженной и закаленной стали 45 показали, что в случае испы-

таний при давлениях pa = 10...20 МПа модифицирование смазочного материала добавками УДАГ приводит к ускоренной приработке трибосопряжения, снижению шероховатости поверхности трения и увеличению ее микротвердости вне зависимости от исходного состояния образцов стали 45. При испытаниях с высокими контактными давлениями (pa = 30 МПа) обнаружено сильное влияние исходной твердости материалов пары трения на ее триботехнические свойства. В частности, показано, что для отожженной стали 45 модифицирование смазочного материала добавками УДАГ обеспечивает формирование выглаженной поверхности трения с повышенным уровнем микротвердости и ультрадисперсной субзеренной структурой, обладающей высоким сопротивлением микроразрушению при трении. В случае фрикционной пары «закаленная сталь - закаленная сталь» добавки УДАГ в смазочный материал, наряду с ускоренной приработкой трибосопряжения, приводят к сильной интенсификации процесса изнашивания.

Можно сделать заключение, что в отожженной пластичной стали на стадии приработки происходит измельчение формирующейся в поверхностях трения субзе-ренной структуры, что способствует эффективному поглощению энергии фрикционного взаимодействия при трении и обеспечивает повышенные триботехнические свойства подобных сопряжений. В случае высокопрочной закаленной стали присутствие в масле сверхтвердых частиц ультрадисперсных алмазов инициирует зарождение и ускоренное распространение микротрещин в элементах пар трения, характеризующихся пониженной трещиностойкостью.

Литература

1. Армстронг Р.В. Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном // Сверхмелкое зерно в металлах. - М.: Металлургия, 1973.- C. 11-40.

2. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

3. Chuvil'deev VN., Kopylov V.I., Nokhrin A.V., MakarovI.N., Malashen-ko L.M., Kukareko V.A. Recrystallization in microcrystalline copper and nickel produced by equal-channel angular pressing: I. Structural investigations. Effect of anomalous growth // The Physics of Metals and Metallography. - 2003. - V. 96. - No. 5. - P. 486-495.

4. Витязь П.А., ЖорникВ.И., Кукареко В.А., Калиниченко A.C., Гиль-

нич Н.Е. Влияние материала фрикционной пары на триботехнические свойства консистентной смазки, модифицированной ультрадисперсными алмазами // Трение и износ. - 2000. - Т. 21. -№ 5. - С. 527-533.

5. Витязь П.А., Жорник В.И., Кукареко В.А., Калиниченко А.С. Приме-

нение наноразмерных алмазографитовых присадок для повышения триботехнических свойств элементов пар трения // Тяжелое машиностроение. - 2005. - № 10. - С. 19-22.