Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пары трения, работающие в вакууме при высокой температуре 12
1.1. Модели пар трения, работающих в вакууме 12
1.2. Трение металлов при отсутствии смазки 21
1.3. Качество поверхностей и его влияние на эксплуатационные свойства деталей приборов 34
1.3.1. Влияние качества поверхностей на эксплуатационные свойства деталей приборов 34
1.3.2. Проблема качества поверхностей 39
1.3.3. Регуляризация микрорельефов поверхностей 43
Выводы к главе 1 54
Глава 2. Методика расчёта микрорельефа для пар трения узлов приборов, работающих в вакууме при высокой температуре 55
2.1. Определение расчётных зависимостей параметров микрорельефа 55
2.2. Определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия 58
Выводы к главе 2 59
Глава 3. Методика экспериментальных исследований. Технологическая оснастка, оборудование и инструмент 60
3.1. Методика экспериментальных исследований 60
3.2. Стенд для ускоренных испытаний пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре 61
3.3. Выбор образцов 65
3.4. Технология, оборудование и инструмент для образования регулярного микрорельефа на поверхностях деталей приборов 67
3.5. Технология, оборудование и инструмент для нанесения твёрдосмазочного покрытия 71
3.6. Установка для испытания деталей и узлов приборов в вакууме при высокой температуре 74
Выводы к главе 3 81
Глава 4. Экспериментальные исследования по обеспечению эксплуатационных свойств деталей приборов, работающих в вакууме при высокой температуре 81
4.1. Исследование влияния регулярного микрорельефа поверхностей трения деталей приборов на коэффициент трения 81
4.2. Исследование влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения пар трения при продолжительных испытаниях 90
4.3. Металлографические исследования образцов после испытаний на трение скольжения 92
4.4. Исследование влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения при натурных испытаниях 95
Выводы к главе 4 98
Заключение 99
Основные результаты работы и выводы 101
Литература 102
Приложения 111
- Качество поверхностей и его влияние на эксплуатационные свойства деталей приборов
- Определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия
- Стенд для ускоренных испытаний пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре
- Исследование влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения пар трения при продолжительных испытаниях
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития России большое внимание отводится вопросам совершенствования технологии производства, применению базовых прогрессивных технологий, указывается на то, что необходимо более полно использовать при разработке новой техники и технологии возможности материалов с заранее заданными свойствами, особенно прогрессивных конструкционных, композиционных, сверхчистых и других материалов, обусловливающих высокий экономический эффект в народном хозяйстве, повысить надёжность и ресурс работы техники, комплексно исследовать строение Мирового океана .и атмосферы, космического пространства, а также Вселенной.
Повышение надёжности машин, приборов, технологического оборудования и инструмента непосредственно связано с повышением износостойкости. Решение этой актуальной и практически необходимой задачи возможно только на базе глубоких научно обоснованных решений.
В этой связи исключительное значение приобретают работы в области триботехнического материаловедения (сплавов, полимеров, композитов, покрытий, упрочнения поверхностей трения и т.д.), а также теоретические и экспериментальные исследования в области физико-химической механики процессов трения и изнашивания с использованием новейших испытательных средств и измерительной техники, которые могут раскрыть и подсказать новые способы снижения потерь на трение и повышения износостойкости машин, приборов и оборудования.
Интенсивное развитие космонавтики, ракетной техники, ядерной энергетики, рентгеновской техники и ряда других областей выдвинули задачу обеспечения надёжной работы подвижных узлов механизмов приборов и аппаратов в экстремальных условиях (вакуум, высокая температура, интенсивные излучения разного рода, высокие контактные нагрузки и т.д.).
Проблема повышения надёжности приборов, машин и механизмов в таких условиях тесно связана с вопросами триботехники, с исследованиями контактного взаимодействия взаимно перемещающихся твёрдых тел, в результате которого в зоне контакта возникают силы трения.
Современная трибология располагает рядом фундаментальных теоретических и экспериментальных закономерностей, которые, безусловно, могут позволить в ближайшие годы успешно решать задачи в области сухого и граничного трения, газодинамической, гидродинамической и эластогидродинамическои смазки, которые реализуются в различных узлах машин при трении скольжении, качении или качении со скольжением [1 ...8].
Принципиально новые конструктивные и смазочные материалы создаются один раз в 10...15 лет, а то и реже.
На сегодняшний день академик МИА и РИА, президент Ассоциации инженеров-трибологов России, лауреат Большой золотой медали по трибологии, доктор технических наук А.В.Чичинадзе выделяет разделы и направления трибологии и триботехники [9], на которые необходимо особо обращать внимание, такие как:
- создание и оптимальное использование универсальных и целевых машин трения в исследованиях по трибологии и в практических задачах триботехники для оценки и выбора оптимальных материалов для конкретных служебных условий;
- разработка научных основ и практических рекомендаций, необходимых для создания износостойких антифрикционных материалов, новых технологий упрочнения и нанесения покрытий и др.
В связи с указанными выше направлениями трибологии и триботехники на передний план выдвигаются следующие проблемы:
- обеспечение экономически целесообразной наибольшей долговечности узлов трения или, по возможности, равной износостойкости по сравнению с другими частями машины при работе в различных средах;
- повышение работоспособности материалов и узлов трения в широком диапазоне температур (отрицательных и положительных);
- обеспечение минимального сопротивления движению.
Для преодоления этих проблем необходимо решить конкретную задачу триботехники - повысить несущую способность и долговечность массовых по изготовлению деталей (например, подшипников) за счёт новых технологий и материалов, а также оптимизации формы поверхностей трения.
При решении такой актуальной задачи необходимо проведение следующих исследований:
- тонких поверхностных слоев при трении скольжения и качения, в том числе при использовании эффекта избирательного переноса;
- новых самосмазывающихся твёрдых и порошковых смазочных материалов;
- по оптимальному использованию новых технологических способов упрочнения поверхностей трения и нанесения антифрикционных и фрикционных покрытий.
Проблемами трения и смазки в различных условиях занимались отечественные и зарубежные исследователи: И.Я. Алыииц, Дж. Бойд, Е.Р. Брейтуейт, А.Г. Брегг, В.Э. Вайнштейн, И.В. Крагельский, Г.В.Курилов, А.А. Кутьков, К.Н. Воинов, И.М. Любарский, P.M. Матвеевский, М. Матеунага, Т. Накагава, К.С. Оливер, Л.Н. Петрова, Б.П. Робетсон, Л.Н. Сентюрихина, А.Д. Халтнер, К. Хоишлюто, А.А. Силин, Б.Н. Веркин, И.Н. Францевич, В.Е. Шиевский, В.Л. Тальрозе, Л.А. Чатынян и др.
Наиболее экстремальными условиями для работы пар трения создаются в космическом пространстве как в процессе прохождения ракетой плотных слоев атмосферы, так и в условиях космического полёта.
Наибольшее влияние [10] при этом оказывают следующие факторы: - давление в диапазоне от атмосферного до 1 • 10 13 мм рт.ст.;
- температура с перепадом от -100 °С до +1000 °С при необходимости длительной работы при температуре порядка 500 °С и кратковременных возрастаниях температур свыше 1000 °С;
- скорости вращения в диапазоне от малых периодических до непрерывных, доходящих до 30000 об/мин. и выше;
- большие удельные нагрузки, связанные с необходимостью уменьшения веса и габаритов механизмов;
- наличие значительных вибраций и в связи с этим большие контактные нагрузки;
- воздействие окружающих магнитных полей и индуктивных электрических токов;
- активное воздействие космической среды на поверхности контакта, в первую очередь, излучение солнца, а также довольно интенсивная бомбардировка поверхностей потоками активных частиц;
- воздействие химически активных веществ (рабочих жидкостей в системах подачи топлива, горячих газов и т.д.);
- невесомость;
- собственное излучение ядерных космических объектов.
По усталостной теории И.В. Крагельского [11], поверхность трения разрушается от многократно повторяющегося процесса передеформирования поверхностных слоев [11, 12]. Эта теория предполагает наличие на поверхности тел плёнки, которая разделяет их и обеспечивает положительный градиент механических свойств по глубине тела.
Основное влияние вакуума на поведение пар трения проявляется в том, что поверхности твёрдых тел в вакууме освобождаются от покрывающих их обычно адсорбированных и хемосорбированных плёнок, вступают в непосредственный контакт друг с другом и образуют недопустимо прочные связи [14]. Силы адгезии при соприкосновении ювенильных поверхностей
-огромны, в результате чего возрастает коэффициент трения и, в конечном счёте, поверхности могут свариваться в холодном состоянии [15].
Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется изучению вопросов изыскания материалов для пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. По литературным данным в различных конструкциях вакуумных систем широкое применение получили нержавеющие жаропрочные материалы с покрытием на основе дисульфида молибдена, диселенида молибдена, графита и других неметаллических материалов, срок службы которых определяется прочностью их сцепления с материалом основы.
Плёнки препятствуют глубинному вырыванию нижележащих слоев, однако, не защищают от деформации, возникающей при скольжении выступов микрошероховатости поверхности.
Б.П. Лобашев и Ю.В. Макаров предложили [21] модель трения, позволяющую дать объяснение механизма смазочного действия твёрдых тел различной природы (слоистых, полимеров, мягких металлов, твёрдых соединений) на единой теоретической основе. В соответствии с нею механизм трения материалов рассматривается с точки зрения характера вторичных структур, природы и количества вероятных адгезионных связей.
С этих позиций низкое трение слоистых твёрдых тел (графита, дисульфида молибдена, других дихалькогенидов) и большей части полимеров обусловлено переносом материала - смазки на поверхность сопряжённого тела и образования вторичных структур на обеих поверхностях, отличающихся заметной ориентацией кристаллов плоскостями наименьшей стойкости вдоль направления скольжения.
Эффективную работоспособность в условиях вакуума и высоких температур сохраняют наиболее твёрдые материалы.
Эксплуатационные свойства деталей, как и качество приборов, машин, механизмов и оборудования, то есть обеспечение оптимального уровня их надёжности и точности в целом и в значительной степени зависят от качества рабочих поверхностей.
Качество поверхностей деталей определяется совокупностью геометрических и физико-химических характеристик.
Перед технологами стоят актуальные задачи в формировании в производственных условиях характеристик качества обрабатываемых поверхностей, отвечающих заданным эксплуатационным требованиям. Однако, в условиях современных темпов повышения требований к качеству контактирующих сопрягаемых поверхностей деталей машин и приборов подобные задачи не могут быть эффективно решены только применением традиционных методов механической обработки, основанных на резании материалов.
Успешное решение указанных задач возможно при использовании поверхностей с принципиально новыми свойствами микрогеометрии -регулярностью на основе установления связей характеристик качества с условиями обработки.
Достоинство и перспективность поверхностей с регулярными микрорельефами безусловны, поскольку практически впервые используется микрорельеф, все геометрические параметры которого (высотные, шаговые, площадные) могут быть рассчитаны аналитически как функции режимов вибронакатывания - операции, при которой образуется регулярный микрорельеф.
Актуальной является и задача получения прочного износостойкого покрытия и оценки качества покрытия. При этом одним из основных вопросов исследования пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре, является создание в наземных вакуумных установках условий, приближённых к космическим и соответственно перенесение результатов экспериментов на механизмы, работающие в условиях космического пространства.
В соответствии с изложенным выше материал диссертации разбит на четыре главы.
В первой части первой главы на основе анализа литературы обсуждаются модели пар трения подвижных узлов исполнительных механизмов, работающих в вакууме при высокой температуре.
Вторая часть посвящена влиянию качества поверхностей на эксплуатационные свойства деталей. В ней также рассмотрены проблемы качества поверхностей. Основное внимание уделено регулярному микрорельефу поверхностей как один из путей решения этой проблемы.
Во второй главе обоснован выбор и дана методика расчёта микрорельефа, определяющего успешную работу пар трения узлов приборов в вакууме при высокой температуре, включающие:
определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия;
исследование влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пары трения, работающей в вакууме при высокой температуре;
определение расчётных зависимостей параметров микрорельефа для проектирования пары трения приборов, работающих в вакууме при высокой температуре.
Третья глава описывает методику экспериментальных исследований пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Представлены разработанные автором технология, оснастка, инструмент для нанесения и контроля твёрдоплёночного покрытия для формирования регулярного микрорельефа, используемое оборудование. Подробно описан разработанный при участии автора стенд для ускоренных испытаний пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Рассмотрена установка для ресурсных испытаний деталей и узлов приборов в вакууме при высокой температуре.
-11 Четвёртая глава посвящена исследованию влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Глава содержит результаты экспериментальных исследований влияния регулярного микрорельефа поверхностей трения деталей приборов на коэффициент трения, на износостойкость. Проведены как ускоренные испытания на образцах - для быстрой оценки результата и отбора наилучших сочетаний трущихся пар, так и ресурсные испытания на штатных деталях. В главе также приведены результаты исследований влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения пар трения при натурных испытаниях, а также практические рекомендации. Кроме того, в оболочке компьютерной программы Mathcad получены соответствующие уравнения, описывающие экспериментальные триботехнические характеристики.
Качество поверхностей и его влияние на эксплуатационные свойства деталей приборов
Анализ различных видов контактного взаимодействия твердых тел друг с другом и с окружающей средой показывает, что все контактные явления в той или иной степени определяются состоянием их поверхностного слоя [38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45]. При этом под поверхностным слоем понимается объем материала, лежащего непосредственно под границей раздела двух сред и обладающей совокупностью геометрических и физико-химических характеристик, отличающихся от основного материала [65].
В условиях эксплуатации детали начинают функционировать с реальной поверхности, т.е. именно поверхность деталей подвергается внешним воздействиям как при контакте с другими деталями, так и при контакте с внешней средой. Причем, именно на поверхности и в поверхностном слое материала протекают процессы износа деталей трущихся пар, зарождаются трещины усталости, возникают явления коррозионного, кавитационного и эрозионного разрушения изделий [38, 39, 42, 44, 67]. В этой связи, эксплуатационные свойства деталей, как и качество машин и оборудования, т.е. обеспечение оптимального уровня их надежности, долговечности и точности, в целом, в значительной степени зависят от качества рабочих поверхностей.
Качество поверхностей деталей определяется совокупностью геометрических (волнистость, шероховатость, форма и взаиморасположение неровностей) и физико-химических (микротвердость, остаточные напряжения, структура, присутствие кислорода, окислов, нитридов и т.д.) характеристик, обусловливающих пригодность деталей для эксплуатации в соответствии с их служебным назначением, т.е. возможность взаимодействия насыщенных силовых поверхностных слоев твердого тела с силовыми полями молекул внешней среды, находящимися в контакте с поверхностью твердого тела.
На рисунке 1.1 приведены типовые графики зависимостей некоторых эксплуатационных свойств от отдельных параметров качества поверхностей. Однако в процессе эксплуатации рассмотренные выше параметры качества поверхностей оказывают совместное влияние на явление, протекающее в зоне контакта. Поэтому, рассматривая лишь один из параметров качества, нельзя представить полную и правильную картину влияния качества поверхности на то или иное контактное явление. В связи с этим большой интерес представляют имеющиеся попытки оценки комплекса параметров качества поверхностей на их эксплуатационные свойства.
Одной из таких попыток было применение комплексной оценки равновесной шероховатости поверхности. Известно, что в период приработки трущихся поверхностей параметры шероховатости стремятся к оптимальному значению, обеспечивающему минимальную интенсивность изнашивания. Эти шероховатости называются равновесными [3, 66, 68, 75, 76].
На основе анализа результатов исследований авторов вышеперечисленных работ [45, 48, 51, 52, 66, 76] составлена таблица 10, отображающая наличие функциональных связей между характеристиками качества поверхностей и наиболее важными эксплуатационными свойствами.
Изложенное свидетельствует о том, что наиболее важные эксплуатационные свойства деталей машин определяются состоянием качества их поверхностей. Так, например, при трении поверхностей, связанном с их износом, протекание сопутствующих явлений определяется качеством исходных поверхностей. Это объясняется тем, что достижение шероховатости, зависящей только от условий трения, возможно после длительного процесса работы узла трения, когда фактически будет изношен поверхностный слой, свойства которого образованы при механической обработке[61]. С учетом величины шероховатости, волнистости, глубины и степени наклепа этот слой составляет от 0,01 до 3 мм, а допустимый износ деталей соответствующих пар трения обычно не превышает 0,001-0,5 мм. Из этого следует, что большую часть времени в процессе эксплуатации детали реальных пар трения работают в условиях, когда величины равновесной шероховатости и микротвердости, устанавливающиеся при трении, зависят от исходных свойств поверхностного слоя.
Таким образом, взаимосвязь характеристик качества поверхностей деталей с их эксплуатационными характеристиками есть объективно существующая реальность, выражающаяся в большинстве случаев многофакторными, нелинейными зависимостями.
Определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия
Для определения влияния регулярного микрорельефа на адгезию твердоплёночного покрытия на поверхность образца, подготовленную по существующей технологии - шлифование и последующая пескоструйная обработка, наносят покрытие. Затем рабочую поверхность образца подвергают вибронакатыванию деформирующим элементом специально разработанной вибрационной головкой. Для этого образец закрепляют в патроне токарного станка и ему придается вращательное движение, деформирующий элемент закрепляется в резцедержателе станка и совершает осцилляционное движение и движение подачи.
Усилие прижатия Q деформирующего элемента к поверхности образца с твердоплёночным покрытием определяется: где Кх - коэффициент, характеризующий сопротивление твердоплёночного покрытия образца проникновению в него деформирующего элемента; К2 — коэффициент, характеризующий сцепляемость покрытия с поверхностью (определяется экспериментально); Къ- коэффициент, характеризующий траекторию движения деформирующего элемента; Р - усилие вибронакатывания (усилие прижатия деформирующего элемента к поверхности при вибронакатывании образца без покрытия) - определяется эмпирически полученной формулой: где h - глубина впадин микрорельефа поверхности, du- диаметр деформирующего элемента; d- диаметр образца; С ,С2 г,СА- постоянные коэффициенты (находятся для каждого материала экспериментально).
Сложная кинематика деформирующего элемента, двигающегося по закону синусоиды, заставляет частицы антифрикционного материала ориентироваться плоскостями скольжения параллельно поверхности трения, вступать в зону молекулярных связей. В зависимости от типа рельефа через каждую точку поверхности деформирующий элемент может проходить неоднократно. И, чем сложнее кинематика движения, тем сильнее последствие обработки - молекулярное сцепление (адгезия). 1. Для поверхностей пар трения подвижных узлов исполнительных механизмов приборов, работающих в вакууме при высокой температуре, следует использовать регулярный микрорельеф, позволяющий реализовать запланированные параметры микрорельефа. 2. Настоящая методика позволяет для данных условий с заданной точностью рассчитать параметры микрошероховатости поверхности -стандартизованные - площадь контакта и нестандартизованные: Nec число выступов, Nen - число впадин, гвс - радиус выступов, гвп - радиус впадин, которые определяют эксплуатационные свойства поверхности. 3. При исследовании влияния регуляризации микрорельефа поверхности на адгезию твердоплёночного покрытия, используемого для данных условий, необходимо воспользоваться выведенными эмпирическими зависимостями для усилия прижатия деформирующего элемента к поверхности образца. Данные, опубликованные в различных источниках, показывают, что отработка, упомянутых выше покрытий и материалов применительно к условиям вакуума и повышенных температур, ведётся с использованием различных методик, оборудования, с отработкой различного ресурса и степенью имитации как самих пар трения, так и эксплуатационных условий, что не позволяет сделать однозначных выводов конкретно заданных условий их работы. Это обстоятельство обусловило необходимость разработки соответствующих программ испытаний, оборудования, проведения экспериментальных исследований в необходимых объёмах. Экспериментальные исследования проводилась по следующим направлениям: определение влияния регулярного микрорельефа на адгезию MoS2 покрытия к подложке, разработать метод контроля качества покрытия, позволяющий проводить 100% неразрушающий контроль покрытия, получение конструкционного несхватываемого материала, определение влияния регулярного микрорельефа на экплуатационные свойства пары трения, выбор оптимального микрорельефа для пары трения. Программа испытаний включала: отборочные ускоренные испытания, ресурсные (до 20 часов) испытания, натурные испытания отобранных композиций в отдельном узле, натурные испытания отобранных композиций в изделие. Для осуществления такой обширной программы были разработаны, изготовлены и доведены до практической реализации: виброголовка, позволяющая обрабатывать и получать РМР на цилиндрических, сферических и торцовых поверхностях с твердоплёночным покрытием и одновременно производить 100% неразрушающий контроль качества покрытия, стенд для ускоренных испытаний, позволяющий достаточно быстро оценивать испытываемую пару трения при необходимых условиях - вакуум, температура, нагрузка и износостойкость, стенд для натурных испытаний отобранных композиций в отдельном узле, стенд для натурных испытаний в изделии.
Стенд для ускоренных испытаний пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре
Стенд для ускоренных испытаний (см. рис.3.9 и 3.10) содержит корпус 1, вакуумную камеру 2, внутри которой расположены два соосно установленных держателей 3 и 4 образцов 5 и 6 соответственно. Держатель 3 установлен в корпусе 1 с возможностью вращения и кинематически связан с приводом 7 вращения. Держатель 4 установлен в корпусе с возможностью поворота. С держателем 4 взаимодействует механизм осевого нагружения, состоящий из рычага 8, размещённого на оси 9, кольца 10, закреплённого на рычаге 8 и соединённого посредством сильфона 11с вакуумной камерой 2.На держателе 4 выполнен паз 12, боковые поверхности которого образованы эвольвентами. Стенд содержит также измеритель момента трения, выполненный в виде коромысла 13, которое установлено на оси 14, диска 15, закреплённого на коромысле 13 и соединённого с помощью сильфона 16 с вакуумной камерой 2. Конец 17 коромысла 13 выполнен в виде эвольвентного зуба и расположен в пазу 12. Другой конец коромысла 13 взаимодействует с силоизмерителем (на рисунке не показан). Внутри вакуумной камеры 2 размещены ламповый нагреватель 18 и защитные экраны 19. Кроме того, для предотвращения передачи тепла через держатель 3, он выполнен полым и снабжён системой 20 охлаждения. Стенд для ускоренных испытаний Стенд работает следующим образом. Испытываемые образцы 5 и 6 посредством механизма осевого нагружения нагружают сжимающим усилием. Включают ламповый нагреватель 18. Держателю 3 вместе с образцом 5 посредством привода 7 вращательного движения сообщают вращательное движение. Сила трения, возникающая в контакте образцов 5 и 6, стремится повернуть держатель 4, который своим пазом 12 воздействует на конец 17 коромысла 13 и поворачивает его вокруг оси 14.
При этом другой конец коромысла 13 взаимодействует с силоизмерителем. Благодаря тому, что конец 17 коромысла 13 выполнен в форме эвольвентного зуба, а боковые поверхности паза 12 образованы эвольвентами, линия контакта конца 17 коромысла 13с пазом 12 остается все время на одном расстоянии от оси 14, т.е. плечо силы трения в процессе опыта остается неизменным. Использование стенда такой конструкции позволяет добиться высокой точности и достоверности замеров. На стенде проводятся испытания в течение одного часа, десяти и двадцати часов. Испытания в течение часа - сравнительные базовые испытания и служат для быстрой предварительной оценки работоспособности пары. Десятичасовым испытаниям подвергаются образцы, прошедшие часовые испытания и показавшие удовлетворительные результаты - низкий и стабильный коэффициент трения (не выше 0,3), малый износ. Двадцатичасовым испытаниям подвергаются образцы, прошедшие десятичасовые испытания и показавшие удовлетворительные результаты -низкий и стабильный коэффициент трения (не выше 0,2), малый износ. Стенд предусматривает получение зависимости коэффициента трения от времени. Эта зависимость получается следующим образом. С помощью тензодатчиков, наклеенных на упругую балочку, и точных регистрирующих приборов производится запись момента сопротивления равного моменту трения, возникающего при вращении подвижного образца относительно неподвижного. На эту записанную диаграмму накладывают тарировочную диаграмму, снимаемую до и после испытания образцов. Имея диаграммы момента трения, путем пересчёта получим диаграммы коэффициента трения. Момент трения записывается постоянно в течение всего испытания. И затем строят зависимость коэффициента трения от времени. При работе стенда с помощью специальной регулирующей аппаратуры постоянными поддерживаются на протяжении всего цикла испытаний температура +650С и давление - 1-Ю"6 мм рт.ст. Колебания этих величин записываются приборами, которые также выдают сигнал на отключение установки при достижении температуры и давления критических величин. Критическими -величинами являются: для температуры - +630С, +670С, для давления -1-Ю"5 мм рт.ст. В качестве образцов были выбраны втулки (рис.3.7) с коэффициентом перекрытия 1,0. Контакт втулок по торцам создаёт условия наиболее приближенные к условиям работы пары трения в изделии и позволяет наиболее быстро её оценить. Образец для испытаний Образцы помещаются в вакуумную камеру стенда, где их нагружают определённым осевым усилием, а одному образцу придают вращательное движение. Испытания проводятся в течение 1 часа, десяти и двадцати часов. Испытания в течение часа - сравнительные базовые испытания и служат для быстрой предварительной оценки работоспособности пары. Десятичасовым испытаниям подвергаются образцы, прошедшие часовые испытания и показавшие удовлетворительные результаты - низкий и стабильный коэффициент трения (не выше 0,3), малый износ. Двадцатичасовым испытаниям подвергаются образцы, прошедшие десятичасовые испытания и показавшие удовлетворительные результаты -низкий и стабильный коэффициент трения (не выше 0,2), малый износ. С помощью тензодатчиков и точных регистрирующих приборов производится запись момента трения, возникающего при вращении подвижного образца относительно неподвижного. После обработки записанной диаграммы момента трения получаем зависимость коэффициента трения от времени. Для определения износа образцов они взвешиваются непосредственно перед установкой в камеру и сразу же после остановки стенда и вскрытия камеры. Взвешивание производится с точностью до 5-Ю-- грамма. Износ определяется по формуле: А = Р0-РК, где Р0 - вес образца до испытаний в граммах, Рк - вес образца после испытаний в граммах. При испытаниях наблюдается перенос материала с одного образца на другой. В этом случае Рк Ро и износ получается со знаком (-) и называется «привесом». Для сопоставления результатов по износостойкости материала, полученных при других схемах испытаний определяется характеристика путь трения: S = п- Дср-п-Т, где S — путь трения в метрах, Дср средний диаметр образцов в метрах, п - скорость вращения «подвижного» образца в об/мин, Т - время испытаний в минутах. Для данной установки: Дср = 0,024 м, « = 1000 об/мин, путь трения: при часовых испытаниях S = n- 0,024 -1000 60 = 4524 м, при десятичасовых испытаниях -S - 45238 м, при двадцатичасовых испытаниях —S = 90475 м.
Исследование влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения пар трения при продолжительных испытаниях
С целью определения долговечности работы вибронакатанных образцов в вакууме при высокой температуре проводили 10 часовые испытания на трение скольжения пары трения, показавшей наименьший и стабильный коэффициент трения - пара 12 (см. рис. 4.20 - [покрытие -покрытие + вибронакатка по IV типу рельефа]). Для сравнения испытаниям подвергались также пары с образцами, где покрытие наносилось на одну или обе трущиеся поверхности образцов после шлифования - поверхности с нерегулярным микрорельефом. Испытания показали, что коэффициент трения образцов с покрытием и последующим вибронакатыванием по IV типу рельефа непрерывно растёт по мере увеличения продолжительности испытания (рис.4.23 - кривая 1). Плёнки твёрдых смазок, нанесённые на шлифованные поверхности, обладают хорошими противоизностными и антифрикционными свойствами в течение 4 часов работы, однако, по мере увеличения продолжительности испытания, вследствие полного истирания и вступления в контакт поверхностей с нерегулярным микрорельефом коэффициент трения увеличивается до значения 0,28 для одностороннего покрытия (рис. 4.23 - кривая 2) и 0,22 для двухстороннего покрытия, причем, просматривается тенденция к его дальнейшему увеличению (рис. 4.23 -кривая 3). Для пары трения - поверхность с IV типом рельефа + поверхность с покрытием ВНИИНП-229 - в течение первых 3 часов коэффициент трения стабилизируется и принимает значение 0,22 (рис. 4.23 -кривая 4).
Как видно из приведенных кривых наилучшие результаты -коэффициент трения 0,08-0,06 в течение испытания - показала пара трения 5 - [поверхность с покрытием ВНИИНП-229 + поверхность с покрытием ВНИИНП-229 с образованием регулярного микрорельефа IV типа]. Профилограмма поверхности образца наилучшей пары по результатам длительных испытаний приведена на рисунке 4.24. На рисунке 4.25 показаны микроструктуры поверхностей трения образцов с характерным чередованием светлых и тёмных участков. Светлые участки мест контактирования поверхностей в процессе трения имеют преимущественно округлую форму, частично ориентированы в направлении трения. При одном и том же усилие вдавливания деформирующего элемента - шарика или алмазного наконечника твёрдость светлых участков регулярного микрорельефа IV типа на 50 МПа выше по сравнению с твёрдостью светлых участков микрорельефа II типа, вероятно за счёт того, что при IV типе микрорельефа все элементы поверхности подвергаются неоднократно воздействию деформирующего элемента, а при II типе - часть поверхности и однократно. На рисунке 4.26 показаны кривые изменения микротвёрдости по глубине образцов, вибронакатанных по IV типу микрорельефа. Упрочнение особенно заметно у исходного образца, микротвёрдость на поверхности достигает 600 МПа, что в 2 раза выше исходной твёрдости материала. Упрочнение резко уменьшается с увеличением расстояния от поверхности трения. Зона упрочнения составляет 50 мкм. Предварительное нанесение покрытия на поверхность, подвергаемую упрочнению, снижает эффект упрочнения.
На рисунке 4.27 представлены микроструктуры сплава ЭИ828 после испытания на трение скольжения, выполненные в сечении перпендикулярном плоскости трения - отчетливо видна зона деформации при образовании регулярного микрорельефа IV типа.
Для натурных испытаний были взяты подшипниковые пары узла "Стержень с опорами" (рис. 4.28): - 12 - верхняя цилиндрическая подшипниковая втулка, - 13 - верхняя сферическая подшипниковая втулка, - 14 - нижняя цилиндрическая подшипниковая втулка, -15- нижняя сферическая подшипниковая втулка. Втулки были изготовлены из материала ЭИ-828 и покрыты твёрдоплёночной смазкой ВНИИНП-229 по инструкции "Нанесение твёрдой смазки ВНИИНП-229". После этого одну из контактируемых поверхностей подвергали вибронакатыванию для создания на поверхности регулярного микрорельефа IV типа - ПРМР. Подшипниковые пары с твёрдоплёночным покрытием ВНИИНП-229 и созданием регулярного микрорельефа на отдельных поверхностях представлены на рисунке 4.29. Испытания проводились на установке для натурных испытаний. Условия испытаний: - окружающая среда - вакуум 1 10"5.. .2-Ю"6 мм рт.ст., - температура- 5 60+20С, количество циклов реверсивного вращения подшипников - не менее 143230, закон движения подшипников - см. стр. 79, рис. 3.14. Рисунок 4.29 - Подшипниковые пары Испытания длились 1500 часов с перерывом на ремонт и замену привода, пары трения из камеры не вынимались.
