Моделирование контактного взаимодействия градиентного серебряного покрытия с контртелом

Одним из принципов обеспечения высокой несущей способности пар трения, сформулированных ИВ. Крагельским, является обеспечение положительного градиента механических свойств поверхностного слоя трущихся деталей. Положительный эффект реализуется за счет локализации процессов деформации в зоне фактического контакта двух тел в тонком поверхностном слое, исключая возможность реализации глубинного вырывания и выхода узла трения из строя. В работе [1] была показана возможность создания положительного градиента механических свойств в серебряном антифрикционном антизадирном покрытии за счет управления параметрами асимметричного переменного тока при электрохимическом осаждении покрытия. Исследования показали, что плотность тока преимущественно оказывает влияние на скорость осаждения покрытия, частота тока – на качество получаемого осадка, а коэффициент асимметрии – на размер зерен серебряного покрытия. Результаты экспериментальных исследований показали, что наиболее благоприятным является режим, при котором за одну катодную полуволну наносится один моноатомный слой осаждаемого металла.

Таблица 1. Влияние размера зерна электрохимического серебряно-алмазного осадка на противоизносные свойства покрытия

Коэффициент асимметрии	1,1	1,5	2	8
размер зерен, мкм	5-7	7-9	10-12	18-21
2	115-120	110-115	100-110	100-85
скорость изнашивания, мкм/час	1,7	4,2	6,3	9,88

В разработанном процессе осаждение сереб-2

ка 100 Гц и изменяющемся коэффициенте асимметрии тока k5 от 1,1 до 8. Результаты оценки структуры осаждаемого покрытия при изменении k                                               2

дены в таблице 1, из которых видно, что с ростом

коэффициента асимметрии происходит увеличение размеров зерен, вместе с тем микротвердость получаемого осадка несколько снижается.

Для обеспечения высокой стойкости поверхностных слоев к отслаиваниям и задирам при трении необходимо обеспечить положительный градиент механических свойств по глубине, при котором твердость материала с увеличением глубины растет. Реализовать данный триботехнический принцип можно путем периодического изменения соотношений анодного и катодного токов в процессе нанесения покрытия, при которых реализуется уменьшение твердости с увеличением толщины. В настоящей статье приведены результаты качественной и количественной оценки распределения полей напряжений и деформаций в зоне фактического контакта, который был смоделирован внедрением жесткого сферического выступа в градиентный поверхностный слой.

Т/ТчРСЗГ'УИ! IQ Г^ЛИДЛЛЛУЛ^Л 1ДЛХ)Л31ДЛ7Л 1ШЛ-ИЫУХЛ РлЛЛИЙЛЪ'ЛЙ Л1/лАрИ41 И i 1-1ЛХП/ УПЛХЛ I П \Го4( /I /П1 5

,           5,      ( ),

Численный анализ данного взаимодействия проводили с использованием программного пакета ANSYS версии 12.1.0, с использованием модуля ANSYS Autodyn. С помощью данного программного пакета проводилось моделирование фрикционного взаимодействия с целью получения картины распределения полей напряжений, деформаций и перемещений в области контакта серебряного покрытия с поверхностью контртела. В качестве модельного образца выбрана прямоугольная призма из бериллиевой бронзы (ГОСТ 18175-78), имеющей следующие характеристики: модуль Юнга 141 ГПа, твердость 4500 МПа; предел прочности 1250 МПа, плотность 8200 кг/м2. На одной из поверхности призмы было смоделировано градиентное серебряное покрытие путем наложения на основу слоев с различными механическими свойствами . Неизменными свойствами покрытия были: модуль Юнга 130 МПа, плотность 10490 кг/м3. Градиентное серебряное покрытие было разбито на три подслоя, каждый из которых имел толщину 10 мкм. При этом первый от поверхности подслой имел твердость 1200 МПа и предел прочности, равный 40 МПа, промежуточный слой обладал твердостью 800 МПа и пределом прочности 27 МПа, верхнему слою заданы значения твердости равные 600 МПа и предела прочности 20 МПа. Градиентное серебряное покрытие сравнивалось со штанным серебряным покрытием толщиной в 30 мкм и постоянным значением твердости по глубине равным 1200 МПа и пределом прочности 40 МПа. Поверхности покрытий в обоих случаях условно приняты идеально ровными. Материал индентора (контртела), моделирующего твердый выступ, принимается как абсолютно жесткое тело, напряженно-деформированное состояния которого не учитывается. Глубина внедрения контртела равна 3 мкм. Длина тангенциального перемещения контртела задана в пределах L = 50 мкм. Тип конечных элементов PLANE 42. Форма контртела -шар.

Моделированию подлежала следующая совокупность операций. В поверхность модельного образца внедряется шар, движущийся с постоянной линейной скоростью по оси ОХ равной Ю м/мин. Глубина внедрения шара в пластину составляет 3 мкм. После внедрения индентору сообщается тангенциальное перемещение на заданное расстояние, и происходит оценка напряженно-деформированного состояния модели. На первом этапе была создана компьютерная геометрическая модель двух элементов: шара и модельного образца. После построения геометрическая, модель разбивалась на конечные элементы размером (10-20) мкм. Задача решалась в двух постановках. В первой задаче (а) модельный образец представляет собой монолит из серебра с прочностными характеристиками, постоянными во всем заданном объеме. Во второй задаче (б) модельный образец состоит из подложки (бериллиевая бронза) и 3 -х слоев серебра с различными прочностными характеристиками, увеличивающимися по мере заглубления в образец. Характеристики конечно -элементной модели:

• -    шар: 9260 узлов, 8000 элементов;

• -    пластина (задача а): 6273 узла, 5120 элементов;

• -    пластина (задача б): 9758 узлов, 6400 элементов.

  

  Рис. 1. Разбиение модельного образца (а) на конечные элементы

  
  
  

  Рис. 2. Разбиение модельного образца (б) на конечные элементы

  
  

Общий вид моделей после разбиения на конечные элементы представлен на рис. 1 и 2. Модель образца жестко закрепляется по нижней грани. После приложения соответствующих нагрузок - пере мещений устанавливаются опции решателя. Угловые скорости шара и линейные скорости по осям OY и OZ ограничивались и равнялись 0. В результате моделирования внедрения шара в упругопласти- ческое полупространство были получены поля напряжений, представленные на рис. 3-6.

управления свойствами антизадирных покрытий в процессе осаждения.

Рис. 3. Поле напряжений в области внедренного шара (задача а)

ИЗ ST3T9-- IP.

Рис. 4. Поле напряжений в области внедренного шара (задача б).

Выводы: результаты исследований показали, что максимальное напряжение в зоне контакта выступа с поверхностью без градиента (задача а) составляет 160 МПа, что на 33% превышает напряжения в градиентном покрытии 107 МПа (задача б), возникающие в аналогичных условиях. Это подтверждает справедливость правила И.В. Крагельского и обосновывает необходимость

Рис. 5. Поле напряжений в области внедренного шара (задача а). Вид сверху

Рис. 6. Поле напряжений в области внедренного шара (задача б). Вид сверху

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, в рамках выполнения ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007- , госконтракт № 14.518.11.7023.

:

1. Ненашев, М.В. Градиентные антифрикционные серебряно-алмазные покрытия / М.В. Ненашев, И.Д. Ибатуллин, А.Р. Галлямов, АН. Р1ванов И Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13, №1. С. 578-581.

MODELING THE CONTACT INTERACTION OF THE GRADIENT

SILVER COVERING WITH THE COUNTERBODY