1. Введение
Актуальность снижения интенсивности изнашивания трущихся деталей является фундаментальной и не теряющей своей остроты проблемой для всех отраслей промышленности. Это связано с прямым влиянием износа на ключевые экономические и эксплуатационные показатели: надежность, долговечность, стоимость владения оборудованием и эффективность производства в целом [1].
Одним из решений этой проблемы является модифицирование трущихся поверхностей. Этот комплексный подход направлен на изменение свойств поверхностного слоя материала для улучшения его трибологических характеристик (снижение коэффициента трения, повышение износостойкости и сопротивления схватыванию). Существующие методы можно разделить на три большие группы: изменение геометрии поверхности, нанесение покрытий и изменение структуры и свойств самого поверхностного слоя [2].
Один из наиболее эффективных методов обеспечения надёжности и высокой долговечности узлов трения машин и механизмов — нанесение покрытий трибологического назначения на контактирующие поверхности сопряжённых деталей этих узлов [3]. В связи с этим широкое распространение получили методы фрикционного плакирования — формирование на трущихся поверхностях покрытий из мягкого металлического материала, как правило, меди, или медных сплавов в процессе трения [4], [5].
Именно эти покрытия способны создавать предпосылки для реализации положительного градиента механических свойств по толщине поверхностного слоя и, следовательно, локализовать в нем физико-химические и деформационные процессы, ответственные за формирование частиц износа [6].
Вопросами фрикционного плакирования (металлоплакирования) занимались в течение длительного времени как в нашей стране, так и за рубежом [7], [8], [9], [10]. Было разработано множество методов под конкретные задачи. Все их можно разделить на [8]:
1. Фрикционно-механические (формирование покрытия происходит в процессе контактного взаимодействия поверхностей и механическим переносом материала инструмента на поверхность детали);
2. Фрикционно-химические (формирование покрытия происходит в процессе контактного взаимодействия поверхностей и химической реакцией между материалом поверхности и технологической средой);
3. Фрикционно-электромеханические (формирование покрытия происходит в процессе контактного взаимодействия поверхностей при прохождении через них электрического тока);
4. Фрикционно-электрохимические (формирование покрытия происходит в процессе контактного взаимодействия поверхностей и электрохимических процессов, протекающих в зоне контакта в присутствии технологической среды).
В рассматриваемых условиях наиболее универсальным методом формирования медного покрытия с хорошими трибологическими свойствами является фрикционно-химический.
Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью установления закономерностей влияния медных покрытий, полученных фрикционно-химическим методом, на износостойкость стальных поверхностей с различной исходной твердостью, т.к. этот вопрос изучен недостаточно подробно.
Цель исследования — установить количественные закономерности влияния медного покрытия, полученного фрикционно-химическим методом, на интенсивность изнашивания стали ШХ15 с разной твёрдостью.
2. Методы и принципы исследования
Подвижные образцы для трибологических испытаний были выполнены в виде колец диаметром 40 мм и шириной 11 мм из стали ШХ15 с твердостью HRC 63. Неподвижные образцы — шарики из той же стали с твердостью HRC 63 и твердостью HRC 20.
Фрикционное плакирование колец медью выполнялось фрикционно-химическим методом с помощью вращающегося ролика из полимерного материала (скорость в зоне контакта 5 м/с, удельное давление около 1 МПа, время обработки 10 секунд). В качестве технологической жидкости использовался состав, состоящий из 2% хлорида меди (II), 2% Аэросила 300 и 96% абсолютированный изопропиловый спирт [8]. Толщина покрытия и его микроструктура определялась с помощью металлографического микроскопа 4ХВ.
Исследования трибологических характеристик медного покрытия проводились на машине трения по схеме «шар-кольцо» (рис. 1) при нагрузке на образец — 90 Н и частотой вращения кольца 300 об/мин. Смазка образцов происходила погружением в индустриальное масло И-20А.
Общий вид испытательной установки
Трибологические испытания проводились согласно разработанной методике. Трущиеся образцы нагружались с усилием 90 Н в течение определенного времени (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 120, 150 и 180 минут) после чего машина трения останавливалась, и определялись геометрические размеры пятна контакта. Каждое испытание проводилось по пять раз, чтобы определить сходимость результатов исследования. Обработка результатов испытаний проводилась по ГОСТ Р 8.736-2011 «Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения».
Интенсивность изнашивания определялась по формуле 1.
где h — линейный износ, мм;
s — путь трения, мм;
D — диаметр шарика, мм;
d — средний диаметр пятна износа, мм;
L — диаметр кольца, мм;
n — частота вращения кольца, об/мин;
t — время испытания, мин
3. Основные результаты и их обсуждение
Металлографические исследования показали, что толщина сформированного медного покрытия на кольцах составила 1–2 мкм.
Микроструктура медной пленки, полученной на стальной подложке фрикционно-химическим методом имеет ярко выраженные особенности, которые напрямую вытекают из механизма ее образования (рис. 2).
Микроструктура медного покрытия, нанесенного фрикционно-химическим методом
Одна из этих особенностей — пористость медного покрытия. Она связана с тем, что процесс осаждения идет одновременно с процессом растворения подложки, и атомы меди не успевают занять все места в кристаллической решетке, образуя пустоты (поры). Это подтверждает результаты, полученные исследователями ранее [11].
Другой особенностью является дендритная структура покрытия. Это связано с тем, что скорость роста кристалла в благоприятном направлении (вдоль градиента концентрации ионов) значительно выше, чем скорость зарождения новых кристаллов. При этом структура пленки не статична. По мере увеличения времени обработки происходит процесс уплотнения: поры частично зарастают, а дендритный слой становится более массивным и менее разветвленным.
По результатам проведенных трибологических испытаний построены графики зависимости интенсивности изнашивания неподвижного образца от пути трения за испытание (рис. 3).
Графики зависимостей интенсивности изнашивания стального шарика из материала ШХ15 от пути трения за испытания
Как видно на рисунке 3, для всех четырех комбинаций наблюдается классическая кривая приработки. Интенсивность изнашивания максимальна в начале и постепенно снижается, стабилизируясь к концу испытаний. Это указывает на успешное формирование равновесной поверхности трения.
Наибольший износ на всем протяжении эксперимента был выявлен у стального шарика с минимальной твердостью при трении по кольцу без медного покрытия. Наличие медного покрытия на кольце существенно снижает износ такого шарика. У твердого шарика идет резкое увеличение его износостойкости. Но наилучший результат показывает трение твердого стального шарика по медному покрытию. Рейтинг износостойкости представлен в табл. 1 на основании конечных значений интенсивности изнашивания.
Рейтинг износостойкости исследуемых пар трения
| Место | Комбинация (Твердость шарика / Покрытие) | Интенсивность изнашивания (I) | Относительное улучшение (по сравнению с худшим вариантом) |
| 1 | Твердый шарик (HRC 63) по кольцу с медным покрытием | 3,14 × 10⁻⁹ | Улучшение в 2,68 раза |
| 2 | Твердый шарик (HRC 63) по кольцу без покрытия | 3,96 × 10⁻⁹ | Улучшение в 2,12 раза |
| 3 | Мягкий шарик (HRC 20) по кольцу с медным покрытием | 5,41 × 10⁻⁹ | Улучшение в 1,55 раза |
| 4 | Мягкий шарик (HRC 20) по кольцу без покрытия | 8,40 × 10⁻⁹ | 1 (базовый уровень) |
4. Заключение
По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы.
1. Твердость материала шарика оказывает более сильное влияние на износостойкость, чем наличие покрытия на кольце (при прочих равных). Твердый шарик без покрытия изнашивается меньше, чем мягкий шарик с покрытием.
2. Медное покрытие стабильно снижает интенсивность изнашивания как для мягких, так и для твердых шариков. Эффект более выражен на мягкой подложке, но также значим и на твердой, особенно при длительной работе узла трения.
3. Наилучший результат достигается при комбинации высокой твердости (HRC 63) и медного покрытия. Это говорит о том, что эти два фактора работают в сумме, не мешая друг другу: твердая основа сопротивляется внедрению, а покрытие оптимизирует фрикционный контакт.
4. Для максимального ресурса пары трения ШХ15 по ШХ15 следует применять закаленные до высокой твердости (HRC 63) элементы с дополнительным медным покрытием.