Корреляция шероховатостей контактных поверхностей трения модифицированного газотермического покрытия и металлического контртела

Как известно, для упрочнения поверхно-       Цель данной работы: установление взаи-

сти деталей машин и механизмов в настоящее время широко применяются высокоэнергетические способы нанесения износостойких покрытий (плазменное и газопламенное напыление, электродуговая металлизация проволоками и др.) [1]. В качестве материала для нанесения износостойких покрытий в основном используются самофлюсующиеся сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, оксидов и других соединений, которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру покрытия. Как показывают исследования, при трении скольжения износостойких порошковых покрытий профиль их контактной поверхности тесно связан со свойствами контртела [2-4]. Для исследования взаимосвязи процессов изнашивания порошкового покрытия и контртела актуальным является установление количественных соотношений для характеристик микрогеометрии контактных поверхностей.

мосвязи шероховатостей контактных поверхностей износостойкого порошкового покрытия, модифицированного ультрадисперсными добавками шпинелей, и металлического контртела при трении скольжения.

Материалы и методика экспериментальных исследований. В данной работе в качестве модифицирующих добавок при получении износостойких газотермических покрытий использовались ультрадисперсные шпинели CoAl 2 O 4 и CuAl 2 O 4 , получаемые в процессе плазмохимического синтеза (порошки производства АО «NEOMAT» Латвии, средний размер частиц порядка 100 нм). Выбор этих добавок основан на том, что соединения шпинелей труднее активируются на контакте при трении и в случае их формирования в покрытии как упрочняющей фазы повышение износостойкости будет возможно как за счет модифицирования структуры, так и за счет введения упрочняющей фазы [5]. Матрицу порошкового материала для напыления составлял промышленный самофлюсующийся порошок ПР-Н70ХТ7С4Р4 системы Ni-Cr-B-Si [6].

Для исследования изнашивания модифицированных покрытий проведены испытания на износ на машине трения СМЦ-2 при режимах: нагрузка 75 кГ, частота вращения вала 5 об/сек, трение сухое. На основе анализа работ и методик испытаний на износ выбрана схема трения «диск-колодка»; по соответствующим размерам были изготовлены контртела в виде колодок из твердосплавного материала ВК6 и из стали марки

Ст6, которые значительно отличаются по твердости. Поверхность трения исследовалась профилометром SJ-201P и на стереоскопическом микроскопе «Stemi 2000С» через каждые 4500 циклов трения, по выбранной схеме трения один цикл машины трения соответствует пути трения, равному 1,96×10-2 м. Измерения шероховатости проводились на четырех маркированных диаметрально противоположных участках покрытия образца, затем данные усреднялись по всей поверхности трения. Обработка экспериментальных результатов проведена в программной среде MathCad и в электронных таблицах Excel.

Обсуждение результатов. На рис. 1 приведены сравнительные данные массового износа пары трения «покрытие – контртело» для покрытия с ультрадисперсными добавками CuAl 2 O 4 в зависимости от количества циклов машины трения.

Рис. 1. Массовый износ пары трения; покрытие с ультрадисперсными добавками CuAl 2 O 4 ; контртело: а) ВК6; б) Ст6

Как видно из графиков, в кривых массового износа обеих пар трения наблюдаются незначительные участки приработки, в которых интенсивность износа отличается нестабильностью, имеет различные значения в зависимости от условий трения и начальной шероховатости. Далее, начиная с ≈ 5000-10000 циклов, начинается режим установившегося износа, интенсивность изнашивания стабилизируется, наблюдается равномерное повышение массового износа пар трения до конца испытаний (рис. 1). В целом наблюдается существенная разница массовых износов покрытия и контртела, обусловленная различной твердостью материалов контртел.

На рис. 2 приведены зависимости средних шероховатостей R a контактных поверхностей при трении покрытия с ультрадисперсны-ми добавками CоAl 2 O 4 в зависимости от количества циклов машины трения. В отличие от графиков массового износа на рис. 1 с монотонными зависимостями, шероховатость контактных поверхностей изменяется сложным колеблющимся образом. Примерно к ≈ 5000 циклов заканчивается участок влияния начального состояния контактных поверхностей трения из-за ее приработки (рис. 1).

Рис. 2. Шероховатость контактных поверхностей; покрытие с ультрадисперсными добавками CоAl 2 O 4 ; контртело: а) ВК6; б) Ст6

Далее начинается превалирование влияния механизма изнашивания материалов, что приводит к существенной разнице в поведении шероховатости поверхностей трения покрытия и контртела. Тогда как шероховатость поверхности трения покрытия имеют меньшие колебания, шероховатость контртел характеризуется большим разбросом, обусловленным периодическими колебаниями. Это обусловлено тем, что твердосплавный материал из-за большей хрупкости способен к выкрашиванию при трении скольжения, а стальной материал из-за низкой износостойкости способен к интенсивному изнашиванию; эти процессы приводят к регулярному появлению нового рельефа контртела с последующим сглаживанием, следовательно, к большей нестабильности шероховатости поверхности. Износостойкие покрытия характеризуются более высокими упругими свойствами, при фрикционном контакте более способны к сохранению рельефа поверхности трения (рис. 2).

б)

Рис. 3. Взаимосвязь шероховатости контактных поверхностей трения; покрытия с ультра-дисперсными добавками CоAl 2 O 4 и CuAl 2 O 4 ; контртело: а) ВК6; б) Ст6

Для отражения взаимосвязи шероховатости контактных поверхностей пары трения «покрытие - контртело» целесообразным является построение соответствующих данных по пути трения в координатах шероховатостей: покрытия R aп и контртела R aк (рис. 3). На рис. 3 сплошной и пунктирной линиями проведены прямые линейной регрессии для шероховатости покрытий с ультрадисперсными добавками CоAl 2 O 4 и CuAl 2 O 4 , соответственно. Как видно из графиков, величина и знак корреляции шероховатостей контактных поверхностей зависит от материала контртела и покрытия.

Установленные коэффициенты корреляции шероховатости контактных поверхностей трения приведены в таблице 1. В качестве характеристик контактных поверхностей трения можно выбрать также величины среднеквадратического отклонения R q и размаха отклонений R z профиля поверхностей, которые изменяются по аналогичной закономерности. Как видно из табл. 1 и рис. 3, влияние модифицирующих добавок покрытия на коэффициент корреляции является существенным, для контртела из ВК6 трение покрытий со шпинелью CuAl 2 O 4 приводит к снижению и практическому отсутствию корреляции характеристик контактных поверхностей. При трении покрытий с модификаторами CuAl 2 O 4 с контртелом из Ст6 наблюдается также снижение со сменой знака коэффициента корреляции характеристик контактных поверхностей трения.

Таблица 1. Коэффициент корреляции характеристик контактных поверхностей трения

Модификатор покрытия	Материал контртела	R a	R q	R z
CоAl 2 O 4	ВК6	0,39	0,45	0,63
CuAl 2 O 4	ВК6	0,08	0,02	0,00
CоAl 2 O 4	Ст6	0,62	0,66	0,71
CuAl 2 O 4	Ст6	-0,52	-0,50	-0,45

Как видно из табл. 1 и рис. 3, материал контртела влияет на коэффициент корреляции неоднозначным образом; если для покрытия с модификаторами CоAl 2 O 4 трение с контртелом из Ст6 повышает коэффициент корреляции, то для покрытия с модификаторами CuAl 2 O 4 использование контртела из Ст6 приводит к снижению коэффициента корреляции.

Выводы:

• 1.    При трении скольжения покрытий с ультрадисперсными добавками шпинелей CоAl 2 O 4 и CuAl 2 O 4 с контртелами из ВК6 и Ст6 не наблюдается существенного участка приработки, практически сразу начинается установившийся износ. Соотношение массового износа пары трения в основном определяется твердостью материала контртела.

• 2.    В качестве характеристики взаимосвязи поверхностей модифицированного покрытия и металлического контртела предложено использовать коэффициенты корреляции величин шероховатости R a , а также среднеквадратического отклонения R q и размаха отклонений R z профиля по пути трения. Величина и знак корреляции характеристик контактных поверхностей зависит от материала контртела и покрытия.

• 3.    Влияние модифицирующих добавок покрытия на коэффициент корреляции является существенным, трение покрытий со шпинелью CuAl 2 O 4 приводит к снижению корреляции характеристик контактных поверхностей. Материал контртела влияет на коэффициент корреляции неоднозначным образом.