книги / Прогнозирование триботехнических характеристик порошковых материалов

аппроксимированы выражением, полученным в предположении упругого фрикционного контакта 14/:

где Е - модуль Юнга, Е = 18000 МПа; А - характеристики микрогеометрии поверхности, А = 0,035 /3/; - коэффициент гистерезисных потерь при тре­ нии, ag = 0,05 /3/; V - коэффициент Пуассона, v = 0,26. Значения коэффици­ ентов т0 и р для каждого сплава представлены в табл. 8.

Таблица 8 Значения фрикционных параметров т0 и Р при контактировании

порошковых сталей с закаленной сталью 45

Существенное уменьшение коэффициента зрения при увеличении на­ грузки для стали ПА-ЖГрХЗНМ, по-видимому, связано с тем, что интервал пористости 14-15 % при использовании в качестве основы материала порош­ ков железа технических марок является переходным от закрытой пористости к открытой. Как видно из табл. 7, увеличение давления способствует умень­ шению коэффициента трения, что связано с улучшением циркуляции масла. Повышение содержания меди в твердом растворе, а также присутствие структурно-свободной меди в небольшом количестве мало влияет на анти­ фрикционные свойства /73/. Пропитка принципиально отличается от других

способов введения меди образованием бесконечного кластера богатой медью фазы с высокой теплопроводностью. На увеличении теплопроводности ска­ зывается по крайней мере два фактора: уменьшение пористости, так как по­ ристость во всех случаях понижает теплопроводность /80/, и образование композиционного материала сталь-медь, теплопроводность которого в пер­ вом приближении определяется правилом аддитивности /81/. Понижение температуры в активной зоне обеспечивает более высокие прочность а т, мо­ дуль Юнга Е и коэффициент Пуассона v, и поэтому независимо от вида кон­ такта коэффициент трения при инфильтрации будет уменьшаться. Кроме то­ го, пропитка повышает прочность и твердость сталей, что также благоприят­ но влияет на антифрикционные свойства. Этим и объясняются достаточно низкие значения / у пропитанной медью стали (ПА-ЖГр + Си).

Высокие значения/ стали ПА-ЖГрН12ТЮ5 не связаны с присутствием в составе композиций карбида титана, повышающего а т и Е. Полагаем, что рост коэффициента трения обусловлен легированием стали никелем, сни­ жающим энергию взаимодействия дислокаций с атомами внедрения и облег­ чающим тем самым пластическую деформацию. Поскольку коэффициент трения при пластическом фрикционном контакте существенно выше, чем при упругом, то увеличение доли пластически деформированных контактов при­ водит к росту f

Дгак, трение различных классов порошковых сталей интерпретируется на основе традиционных моделей с учетом их структурных особенностей. Выполнение условий граничного скольжения реализуется у порошковых ста­ лей, пропитанных маслом, при пористости около 20 %,

3.2. Изнашивание порошковых сталей при скольжении без дополнительной подачи смазки

Применение деталей узлов трения из порошковых антифрикционных материалов позволяет исключить периодическую подачу смазки, порошко­ вые подшипники имеют благоприятную форму поверхности /79/, при этом чаще всего порошковая втулка функционирует в паре с валом из закаленной стали.

Интенсивность изнашивания определяют на машине трения СМЦ-2 в паре с закаленной сталью 45 методом непрерывной регистрации линейного износа (ГОСТ 26614-85) и дополнительно контролируют весовым методом. Притирку стандартных образцов осуществляют без применения смазочного устройства или предварительной обработки поверхности притирочными ма­ териалами. Скорость скольжения составляет примерно 1 м/с.

Распределение легирующих элементов на поверхности трения и в уда­ ленных от поверхности областях исследуют микрорентгеноспектральным методом /82/, микротвердость - на микротвердомере марки ПМТ-3 при на­ грузке 50 г. Механические свойства определяют в соответствии с ГОСТ 149778, а трещиностойкость - на плоских образцах с наведенной трещиной по ГОСТ 25506-85.

Аппроксимация экспериментальных данных (табл. 9,10) показывает, что в зависимости от пористости и состава материала изменяется характер контакта поверхностей. Для сталей ПА-ЖГр1ДЗ и ПА-ЖГр0,5ХЗНМ и в меньшей степени ПА-ЖГрО,5Н12Т1С5 лучшее совпадение с экспериментом дает выражение, полученное в работе /83/ в предположении пластического ненасыщенного контакта и инициирования разрушения поверхности порами.

(л/2-1)-а-(0,6НВ)”

{d/2)1-л/2 -(1 ,5 Кхс/.НВ)2-и

Зависимость интенсивности изнашивания I от контурного давления Рс

для сталей ПА-ЖГрО,5Н12Т1С5 и ПА-ЖГр1 + Си (пропитка) удовлетвори­ тельно аппроксимирует выражение

=20 %). Во всем интервале исследованных давлений интенсивность изнаши­ вания образцов может быть с удовлетворительной точностью вычислена в приближении упругого контакта по формуле /83/

Рст1(п/2-1)-а

(60)

(^2)1-"/2 -(0,03K icP F 2)2-»

Итак, в интервале 15-20 % пор у образцов из пропитанных маслом ста­ лей происходит переход от пластического контакта к упругому, это может быть объяснено только благоприятным влиянием на фрикционное взаимо­ действие масла, содержащегося в порах. Вместе с тем при низких значениях пористости (П < 5%), независимо от того, каким образом такое состояние достигнуто: инфильтрацией медью или активированием спекания, выраже­ ние (59), предложенное для беспористых материалов, позволяет прогнозиро­ вать интенсивность изнашивания с требуемой для технических целей точно­ стью.

Наибольшая микротвердость у всех рассматриваемых сталей наблюда­ ется в областях, соприкасающихся с зоной трения (рис. 15). Однако интерва­ лы изменения микротвердости HVofo5 в зависимости от глубины слоя различ­ ные.

При пористости 20 % (ПА-ЖГр) изменения HV составляют всего 200250 единиц, в то время как у стали того же класса, но пористостью 12% 64

Рис. 15. Распределение микротвердости в поверхностных слоях порошковых сталей: а - ПА-ЖГр1ДЗ; б - ПА-ЖГр1; в - ПА-ЖГр0.5ХЗНМ; г - ПАЖГрО,5Н12 + 5 % TiC; д - ПА-ЖГр1+Си (пропитка)

(ПА-ЖГрД) микротвердость на поверхности выше средних значений при­ мерно на 1000 HV. Сталь ПА-ЖГрО,5ХЗНМ (П = 14-15 %) занимает проме­ жуточное положение. Это доказывает, что упрочнение поверхности достига­ ется за счет закалки поверхностных слоев. Увеличение содержания масла в порах облегчает теплоотвод с поверхности, и поэтому при одинаковом кон­ турном давлении микротвердость отличается столь существенно. Аналогич­ ная ситуация наблюдается и при пропитке медью. Благодаря ее высокой теп­ лопроводности рост микротвердости поверхности относительно невелик. Близкая по пористости сталь ПА-ЖГрО,5Н12Т1С5 упрочняется значительно сильнее (на уровне ПА-ЖГрД), это связано, по-нашему мнению, как с низкой теплопроводностью материала, так и с высоким содержанием никеля, обес­ печивающим большую долю мартенситного превращения.

Распределение микротвердости поверхности по глубине зоны Н (мкм) во всем интервале изменения давления Рс (МПа) для всех сталей с относитель­ ной ошибкой не более 30 % может быть описано одним и тем же уравнением:

где а(), а\, а2у аз, а4, аз - коэффициенты; Н - удаленность от контактной по­ верхности.

Значения коэффициентов аппроксимирующих полиномов представлены в табл. 11. Адекватность моделей определяли по критерию Фишера F, а оп­ тимальное количество коэффициентов - по минимальному значению оста­ точной дисперсии SOCT/61/.

Таблица 11 Значения коэффициентов зависимости микротвердости HV

поверхностного слоя от контурного давления Рс и расстояния Н

Практически во всех случаях неоднородность распределения легирую­

щих элементов на поверхности трения ниже, чем в удаленных от нее об­

ластях. Это доказывает интенсивную диффузионную гомогенизацию поверх­ ности. Более низкая концентрация никеля в стали ПА-ЖГрО,5Н12Т1С5

Примечание. Коэффициент вариации концентрации V равен отношению корня квад­

ратного из дисперсии концентрации D к среднему значению концентрации С.

и меди для пропитанной медью стали на контактной поверхности связана с тем, что данные материалы имели твердость, сравнимую с твердостью контр­ тела, что вызывало частичное намазывание контртела на поверхность испы­ тываемого образца.

Концентрация легирующих элементов у других сталей слабо изменя­ лась, хотя у низколегированной порошковой стали ЖГрО,5ХЗНМ наблюда­ лось повышение концентрации в поверхностном слое никеля и понижение в слое хрома. То есть общая тенденция понижения содержания Карбидообразующих элементов в поверхностном слое сталей /20/ характерна и для по­ рошковых материалов. При концентрации 0,5 % в традиционных материалах Mo не входит в состав карбидов, одйако в порошковой стали неоднородность распределения достаточно велика и поэтому он содержится в составе слож­ ных карбидов /84/. Диффузия в химических соединениях происходит значи­ тельно медленнее, и следовательно, диффузионная подвижность молибдена понижена.

Таким образом, у концентрационно-неоднородных порошковых мате­ риалов, как и у традиционных, содержание элементов в поверхностном слое определяется их средней концентрацией в сплаве и диффузионной подвиж­ ностью. Однако в поликомпонентных порошковых сталях на процесс пере­ распределения элементов при трении оказывает влияние концентрационная неоднородность.

Микротвердость поверхностного слоя в интервалах изменения контур­ ного давления от 0,2 до 3 МПа зависит, главным образом, от способности ма­ териала отводить тепло с контактной поверхности. При отсутствии дополни­ тельной подачи смазки переход от пластического контакта к упругому про­ исходит при пористости 15-20 % и сопровождается улучшением фрикцион­ ных характеристик пары трения.

3.3. Трение и изнашивание порошковых сталей при ограниченной смазке

Ограниченная подача смазки по сравнению с трением всухую /85/ принципиальным образом изменяет характер контактирования поверхностей, что проявляется как в резком снижении коэффициента трения/ (в некоторых случаях на порядок), так и в перемене его функциональной связи с контур­ ным давлением Рс (табл. 13). Особенно это заметно у сталей с низкой порис­ тостью (инфильтрированная сталь и карбидосталь). Исключение составляет ПА-ЖГр, пористость которой была 20 %. Поскольку для порошкового железа установлено /83/, что рост / с повышением Рс характерен для упругого кон­ такта, то для аппроксимации экспериментальных данных используют выра­ жение, полученное в предположении упругого ненасыщенного контакта /4/:

Параметр шероховатости Д = 0,035; модуль Юнга Е = 18000 кг/мм2 и

коэффициент Пуассона ц = 0,27 приняты постоянными, а величины коэффи­

циентов Р и CLgпредставлены в табл. 14.

У всех рассматриваемых сталей значения сдвиговой прочности фрик­

ционной связи хо = 0, это означает, что независимо от пористости при подаче

масла в зону контакта с помощью фитиля, один конец которого опущен в