МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

(м. Хмельницкий)

УДК 621.891+539.375.6

ВОЛИНСЬКИЙ

Борислав Савелійович

СКРЕЧ-МЕТОД

ВИЗНАЧЕННЯ ТРИБОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ПОВЕРХНІ

05.02.04 - тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький - 1999

На правах рукопису

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький)

Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук , професор

Кузьменко Анатолій Григорович,

Технологічний університет Поділля

(м.Хмельницький), завідувач кафедри

зносостійкості та надійності машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, ст. наук.співроб.

Стрельников Валерій Павлович,

Інститут проблем математичних машин і

систем НАН України (м.Київ),

заст. директора.

Доктор технічних наук, доцент

Гладкий Ярослав Миколайович,

Технологічний університет Поділля

(м. Хмельницький), декан заочного

факультету № 1.

Провідна організація: Технічний університет "Львівська

політехніка", кафедра фізики металів та

матеріалознавства, м. Львів.

Захист відбудеться 29 вересня 1999 р. о 10-00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 в Технологічному університеті

Поділля за адресою: 280016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Технологічного університету (280016, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1).

Автореферат розіслано 26 серпня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кіницький Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Надійність та довговічність машин пов’язана в значній мірі з опором пар тертя зношуванню.

На поліпшення службових властивостей, які визначають зносостійкість матеріалів, постійно спрямовані зусилля вчених, інженерів та технологів. Для оцінки ефективності розроблюваних технологій найбільш широко застосовують методи вимірювання твердості і модельні випробовування на зношування. Прямий метод експлуатаційної перевірки службових властивостей є трудомістким і матеріалоємним.

Визначення твердості методом вдавлювання дає характеристику локальних об’ємів поверхонь тертя і дуже чутливий до масштабного фактора.

Визначення твердості методом дряпання в даний час дає більш якісні характеристики, ніж кількісні. Використання методу в такому вигляді, як це робилось іншими дослідниками: М.М.Тенебаумом, В.К.Григоровичем, М.П.Марковцем та ін., має ряд недоліків. Тому розробка нових методів оцінки якості поверхонь і, тим самим, ефективності розроблюваних заходів підвищення зносостійкості матеріалів пар тертя є актуальною проблемою.

Мета та завдання досліджень: 1) розробити метод визначення механічних та трибологічних властивостей поверхні тертя при дряпанні, який усував би недоліки відомих підходів і застосовувався б для випробування тонких і твердих покриттів на пластичній основі; 2) дати теоретичне обгрунтування і приладне забезпечення методу; 3)показати практичну застосовуванність та переваги його в порівнянні з відомими підходами.

Робота виконувалась за планами НДР кафедри зносостійкості та надійності машин Технологічного університету Поділля (м.Хмельницький).

Наукова новизна. Розроблено новий метод дослідження механічних і трибологічних властивостей поверхні при дряпанні, що отримав назву скреч-метод. Основні компоненти наукового результату полягають у наступному:

1) як теоретична основа скреч-методу кількісно описана контактна механіка вдавлювання та дряпання пірамідою поверхні з урахуванням покриття; 2) для характеристики міцності поверхні тертя введено нову величину - границю міцності при контактному стиску ; 3) для характеристики неоднорідності структури матеріалу поверхні запропоновано використовувати коефіцієнт варіації границі міцності поверхні при дряпанні; 4) встановлено закономірності процесу в момент зсуву індентора при дряпанні; 5) встановлено кореляцію між структурною неоднорідністю матеріалу поверхні і змінами сил тертя при дряпанні; 6) отримані залежності для визначення границі міцності поверхні твердого покриття та основи при двократному вдавлюванні і дряпанні з різними навантаженнями; 7) введена характеристика границі міцності поверхні при контактному стиску якісно характеризує зносостійкість твердого покриття.

Практична цінність. На основі теоретичних досліджень розроблена оригінальна установка СМ-01 для випробування поверхні і покриттів скреч-методом. На цій установці виконані дослідження 16 різних матеріалів та покриттів з визначенням міцнісних і трибологічних параметрів поверхні.

Удосконалена технологія анодно-іскрового покриття у напрямку створення комбінованого двоступінчатого режиму і розробки електричної схеми для імпульсного формування покриттів, застосування динамічної, вібраційної активації електроліту в процесі формування.

Виконані дослідження анодних покриттів на деталях газових лічильників по заявках Агрегатного заводу (м. Красилів) і ВО "Новатор" (м. Хмельницький) з метою використання на їхніх виробництвах розробленої технології формування анодно-іскрових покриттів.

Впровадження. Скреч-метод впроваджено в учбовий процес в університеті при вивченні дисциплін трибологічного циклу спеціальності "Технологія та обладнання відновлення і підвищення зносостійкості деталей машин та конструкцій", а також в наукових дослідженнях для оцінки ефективності технології іонного азотування та технології ЯНГ при зміцненні інструментальних матеріалів (швидкоріжучі сталі, тверді сплави).

Особистий внесок здобувача. Основні результати даного дослідження отримані автором особисто. Постановка задач та обговорення результатів виконані спільно з науковим керівником і, частково, із співавторами публікацій.

Апробація роботи. Основні положення та окремі результати роботи доповідались на: обласній науково-технічній конференції "Применение композиционных материалов в узлах трения технологического оборудования" (Хмельницький, 1986г.); міжреспубліканській науково-технічній конференції "Якість та надійність вузлів тертя" (м. Хмельницький, 1992 р.); науково-технічній конференції країн СНД "Вимірювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництв" (м. Хмельницький, 1992 р.); науково-технічній конференції з нагоди презентації ТУП "Наукові основи сучасних прогресивних технологій" (м. Хмельницький, 1994 р.); міжнародній конференції "Зносостійкість та надійність машин" (м. Хмельницький, 1996р.), 4-ому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові, МСУШЛ-4 - (м.Львів,1999р.).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 3 наукових роботи.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури і додатків. Загальний об'єм роботи 150 сторінки машинописного тексту, який містить 34 рисунків, 15 таблиць та бібліографічний список з 142 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, представлені відомості про наукову новизну, практичну цінність та реалізацію результатів, подано коротку анотацію змісту дисертації.

В першому розділі проведено аналіз відомих робіт з оцінки міцності та якості поверхні методами мікротвердості и дряпання. Дослідженнями А.Ф.Іоффе, П.А.Ребіндера, И.Крамера, В.И.Шабаліна, В.П.Альохіна та ін. доказано, що поверхня - об'єкт з особливими механічними властивостями. Перш за все, поверхневий шар товщиною 100...200 мкм має більш низьку границю текучості і більш високі енергетичні та пластичні властивості. В останній час розроблена (Є.В.Панін та інші) мезомеханіка поверхні, яка описує рух структурних фрагментів при деформуванні. Грунтовні дослідження по застосуванню мікротвердості та дряпання для вивчення механічних властивостей виконані в роботах М.М.Тененбаума, М.М.Хрущова, М.А.Бабичева, М.П.Марковця, В.К.Григоровича, Г.Таммана, Г.М.Сорокiна та інш. Значний об'єм робіт з дослідження властивостей поверхні полімерних матеріалів методом дряпання виконано школою акад. В.О.Білого. Метод дряпання або склерометрії використовується, як правило, для визначення твердості. В той же час, він є більш інформативним і може бути використаний як метод оцінки міцнісних та трибологічних властивостей поверхні та покриттів.

Детальний аналіз механіки контактної взаємодії інденторів, виконаний у роботах І.Я.Штаєрмана, Б.С.Ковальського, Л.М.Качанова, В.В.Соко-ловського, К.Джонсона, Д.Мура, Є.М.Манушка та ін., не дає відповіді на питання щодо механіки індентора, який рухається при дряпанні Відомі дослідження динаміки коливань індентора, що рухається (В.В.Запорожець), мають інтегральний статистичний характер, що дає можливість визначення неоднорідності структури. На основі приведеного аналізу зроблено висновок про недостатність вивчення методу дряпання та про безумовну перспективність його застосування.

В другому розділі досліджується контактна механіка вдавлювання піраміди та дряпання нею поверхні як основа розроблюваного методу міцнісних та трибологічних властивостей поверхні. Точний розв‘язок контактних задач вдавлювання і зсуву гострих інденторів в пружно-пластичне середовище на сучасному рівні механіки деформованого тіла є складним.

При розв'язку задачі вдавлювання жорсткої квадратної піраміди без тертя в пластичне середовище прийнято допущення про рівномірний розподіл тисків по нормалях до граней. Варіаційно-експерементальним методом показано, що коефіцієнт концентрації тисків залежить від показника степеня п в залежності:

, (1)

де - нормальне навантаження; -максимальна глибина вдавлювання; ,-параметри апроксимації експериментальної залежності.

Рівномірний розподіл тисків має місце лише при n = 2. При п<2 максимальні контактні тиски мають місце у вершині піраміди,а при n >2 - на границі контакту індентора з випробовуваною поверхнею.

З урахуванням прийнятих допущень отримана формула для визначення цих тисків, яка збігається з формулою Мартеля та Меєра:

. (2)

При вдавлюванні піраміди з урахуванням тертя по гранях отримано залежність нормальних контактних тисків від сторони відбитку , кута піраміди та коефіцієнта тертя:

. (3)

Аналіз залежності (3) показує, що при зміні коефіцієнта тертя вимірювані контактні тиски (мікротвердість) можуть розрізнятись. Про це якісно свідчить експериментальні дані по вимірювані твердості по Меєру, проведених для латуні Л70 та армко-заліза у різних мастильних середовищах (таблиця 1).

Таблиця 1

Зміна твердості НМ, МПа по Мейеру (Q=1Н) в залежності від умов змащення контакту

Матеріал | НМ за форму-

лою (2) | НМ

За форму-

лою(3) | НМ визначено за формулою (2)

Мастило | Гліцерін | Силікон | И-20

Латунь

Л-70 | 1349 | f = 0.29*

1208 | 1227 | 1127 | 1080

Армко-

залізо | 2174 | f = 0.31*

1932 | 1922 | 1811 | 1674

*значення коефіціента тертя f визначено експериментально скреч-методом

Розглянуто механіку дряпання поверхні чотиригранною пірамідою гранню вперед. Весь процес дряпання розділено на три стадії (рис.1):

I - проникнення піраміди в поверхню при дії тільки нормального навантаження; II - початок дії дотичної сили, вихід однієї грані з контакту; III -під дією сили піраміда може сприйняти різні рухи: IIIа - з положення II почати горизонтальне переміщення; IIIb - піднятися угору до положення, при якому нормальні контактні тиски збільшаться; IIIс - дряпання з положення IIIb. Так як стадія III - це неперервний процес, то одночасно можуть відбуватись рухи по вертикалі та горизонталі.

Для кожної з стадій визначені співвідношення між усіма параметрами контакту з урахуванням сил тертя. Так, зусилля опору при повному зсуві визначається по залежності:

. (4)

З аналізу співвідношень встановлено, що після вдавлювання та дії дотичної сили, характер руху по нормалі залежить від ступеня зміцнення поверхні.

Одним з основних етапів в запропонованому скреч-методі визначення міцності поверхні при дряпанні є видалення сили тертя з загальної сили опору дряпанню. З цією метою виконуються повторні проходи піраміди по одному і тому ж треку. При першому проході опір рухові складається з сил опору деформуванню і сил тертя. При другому (або третьому) проході гранню вперед сила опору рухові виникає від сил тертя. Сила деформування і руйнування визначається як різниця

. (5)

З урахуванням нахилу грані визначається коефіцієнт тертя між алмазною гранню і матеріалом поверхні:

. (6)

Контактні тиски на передню грань при дряпанні без впливу сил тертя по бокових гранях визначались з урахуванням вертикального навантаження :

. (7)

Показано, що принципово невірно як силовий фактор, що визначає міцність поверхні, розглядати тільки силу або роботу дряпання, не враховуючи тиску від навантаження при вдавлюванні індентора. Наприкінці розділу описана методика визначення міцності поверхні при дряпанні з урахуванням зміни розмірів треку при другому проході. У цьому випадку залежність має вигляд:

. (8)

В третьому розділі описані експериментальні методи дослідження поверхні скреч-методом та методика випробувань міцності дряпанням алмазною пірамідою. Теоретичною основою методу є механіка дряпання і співвідношення, отримані у розділі 2. Основним приладом пропонованого методу є розроблений скречметр-установка для випробувань поверхні дряпанням. В скречметрі СМ-01 (рис.2) чотиригранна алмазна піраміда з двогранним кутом 1360 дряпає стандартний полірований мікрошліф.

Рис.2. Загальний вигляд скречметра СМ - 01

Вертикальне навантаження 0.03…30.002 Н передається через систему важелів 11 плавно через кулачок 15, що обертається спеціальним електродвигуном 14. Переміщення зразка прямолінійне, з постійною швидкістю 3.35 м/хв здійснюється реверсивним електродвигуном 4 через пружну муфту 3. Для запобігання впливу вібрацій приводу на випробуваний зразок і систему вимірювань електродвигун змонтовано на гумових амортизаторах, закріплених на плиті 1. Сили дряпання, тертя і вертикальні переміщення вимірювались з допомогою системи тензобалка - підсилювач - самописець. Точність для сил складає 0.002 Н, для переміщень 1 мкм. Розміри треку вимірюються на мікроскопі при збільшенні х462

Результати дряпання записувались у вигляді осцилограм: скречеграм (перший прохід) та трибограм (другий, третій проходи) (рис.3). Обробка осцилограм виконувалась методами математичної статистики з визначенням середнього значення, дисперсії і коефіцієнта варіації.

Досліджено дев‘ять по-верхонь різних матеріалів: 1 - армко-залізо;2 - сталь 45; 3 - сталь ШХ15, гар-тування і низький відпуск; 4 - сталь ШХ - 15, азотова-на за режимом А; 5 - сталь ШХ 15, азотована за режимом Б; 6 - сірий чавун СЧ20; 7 - дуралюмін Д16Т; 8 - латунь Л70; 9 - твердий сплав ВК15.

У четвертому розділі викладені результати дослідження поверхонь вказаних матеріалів скреч-методом (таблиця 2).

Експериментально встановлені закономірності початкового руху піраміди при дряпанні в момент зрушування.

Підйом піраміди в початковий момент йде, як правило, при малих вертикальних навантаженнях

для пластичних матеріалів і , практично, при усіх навантаженнях для твердих матеріалів. Виявлений ефект пояснюється різним ступенем зміцнення матеріалу під гранню при початковому зсуві піраміди: якщо зміцнення поверхні в початковий момент зсуву перевищує 15% відбувається не зсув з дряпанням, а зсув по похилій площині і "спливання" піраміди. При цьому контакті тиски збільшуються і наступає момент дряпання; якщо зміцнення рівне 15%, здійснюється переміщення піраміди при дряпанні по горизонталі і, якщо зміцнення менше 15%, піраміда опускається збільшення тисків, а потім переходить в режим дряпання.

Таблиця 2

Результати випробувань поверхонь різних матеріалів.

№ досліду | Q10-2, Н | d, мкм | 10-2, Н | vS | , МПа

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

Дуралюмін Д16Т без покриття

7.1 | 40 | 24,0 | 9,68 | 0,054 | 586 | 0,18 | 0,24

7.2 | 50 | 29,5 | 12,06 | 0,06 | 816 | 0,17 | 0,24

7.3 | 70 | 31,4 | 24,31 | 0,056 | 1020 | 0,31 | 0,34

7.5 | 100 | 45,5 | 40,31 | 0,037 | 722 | 0,34 | 0,40

Середнє | 0,052 | 786 | 0,25 | 0,30

АІП дуралюміну Д16Т за режимом А

11.5 | 100 | 28,0 | 29,4 | 0,279 | 1903 | 0,200 | 0,294

11.6 | 150 | 29,17 | 38,0 | 0,228 | 2599 | 0,185 | 0,259

11.7 | 200 | 34,42 | 55,64 | 0,176 | 2453,5 | 0,222 | 0,278

11.8 | 300 | 41,20 | 68,88 | 0,132 | 2217,1 | 0,283 | 0,276

Середнє | 0,225 | 2293 | 0,223 | 0,277

АІП дуралюміну Д16Т за режимом В

10.5 | 100 | 21,25 | 27,78 | 0,236 | 3617,8 | 0,264 | 0,278

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

10.7 | 200 | 32,00 | 62,45 | 0,098 | 3208,3 | 0,302 | 0,312

10.8 | 250 | 38,00 | 88,60 | 0,072 | 2921,1 | 0,335 | 0,354

Середнє | 0,136 | 3249,1 | 0,3 | 0,315

АІП дуралюміну Д16Т за режимом С

13.5 | 100 | 26,25 | 34,82 | 0,096 | 2113,7 | 0,35 | 0,348

13.7 | 200 | 34,50 | 63,30 | 0,061 | 2704,8 | 0,290 | 0,317

13.8 | 250 | 41,20 | 84,35 | 0,039 | 2382,8 | 0,32 | 0,337

середнє | 0,058 | 2400,6 | 0,32 | 0,334

Порівняльний аналіз і зіставлення скречеграм та фотографій мікроструктур для деяких металів і сплавів (армко-залізо, бабіт Б83) показали, що коливання сил дряпання і тертя збігаються по координаті з неоднорідністю структур (різні фази, кристалографічна орієнтація зерен, границі зерен). Таким чином, скречеграми містять інформацію про структуру матеріалу поверхні і дають можливість зробити висновок про ступінь неоднорідності будови матеріалу. За міру неоднорідності структури приймається коефіцієнт варіації границі міцності поверхні та сил дряпання.

Так, наприклад, для трьох матеріалів в однакових умовах - дуралюмін Д16Т, армко-залізо і сірий чавун СЧ20 - отримано коефіцієнт варіації сил дряпання, відповідно, 0,06; 0,119; 0,155.

Коефіцієнт варіації залежить не тільки від неоднорідності, але і від номера проходу - коефіцієнт варіації на другому і третьому проході вищий, ніж при першому. Це явище може бути пояснено як демпфуючим характером деформації на першому проході, так і руйнуванням та утворенеми при цьому тріщинами.

Запропонована характеристика - границя міцності матеріалу поверхні при стискуючих контактних навантаженнях під час дряпання гранню вперед - за виглядом деформації наближена до мікротвердості (відхилення 10-30%). Однак це більш точна характеристика, так як вона враховує тертя по гранях, і статистично більш виважена, оскільки дає інформацію про міцність по усій довжині треку.

Для усіх досліджених матеріалів визначені коефіцієнти тертя по алмазу. Максимальне значення= 0.336 отримано для сірого чавуну СЧ20, мінімальне -= 0.145 - для сталі ШХ15, азотування, режим А. Залежність коефіцієнта тертя від навантаження може бути зростаючою (дуралюмін Д16Т), спадаючою (сталь 45) та стабільною (сталь ШХ15, сірий чавун СЧ20).

Коефіцієнт опору дряпанню, визначений теоретично і експериментально, вищий коефіцієнту тертя в середньому на 30%.

Отримані параметри степеневої залежності глибини проникнення індентора при дряпанні в залежності від нормального навантаження. Середнє значення показника степеня залежності для усіх матеріалів при практичних розрахунках можна приймати 0.5. Ці результати можуть бути використані при моделюванні та розрахунках абразивного зношування

У п'ятому розділі обгрунтовано застосування скреч-методу для оцінки якості поверхні анодно-іскрових покриттів.

Об'єктом досліджень є анодно-іскрові покриття (АІП), сформовані на алюмінієвих сплавах. Принципова відмінність технології АІП від технології звичайних гальванічних покриттів полягає в електричному режимі та складі електролітів. У цій технології робочі напруги знаходяться в межах 120 - 300 В, що створює форсований режим з іскрінням в області анода (деталі). Технологія АІП відома та в деякій мірі досліджена. В даній роботі виконані дослідження по вдосконаленню режимів технологій АІП з метою поліпшення трибологічних властивостей створюваного покриття. Вдосконалення технології АІП виконано у наступних напрямках:

1. Розроблені комбіновані режими формування покриттів. На початковій стадії покриття формується у гальваностатичному режимі, створюючи захисну бар'єрну плівку. На другому, основному етапі, процес проходить у потенціостатичному режимі з активним іскрінням. Комбінований режим забезпечує формування більш якісного покриття.

2.Розроблена оригінальна електрична схема установки АІП, яка дозволяє формувати комбіновані покриття в імпульсному знакозмінному електричному режимі.

Вдосконалена система активації електроліту за рахунок застосування струменевого перемішування та механічних коливань анода. Основним матеріалом, на якому було проведено відпрацювання технології та її оцінка скреч - методом, був дуралюмін Д16Т.

При визначенні міцності тонких покриттів скреч-методом можливе їх прорізування індентором. У цьому випадку співвідношення, отримані у другому розділі, непридатні. В зв'язку з цим розроблено механіку вдавлювання та дряпання неоднорідного покриття з прорізуванням.

Розглянута механіка вдавлювання жорсткої піраміди в поверхню з тонким покриттям з урахуванням його прорізування (рис.4).

З умови рівноваги отримано одне рівняння, що містить два невідомих параметри. Систему двох рівнянь отримуємо, використовуючи навантажування при двох різних вантажах и . В результаті отримано залежності

, (9)

, (10)

де ,

де -границя міцності при вдавлюванні для основи; - те ж для покриття; , - розміри треку основи і покриття відповідно. За величиною і збігаються з твердістю по Вікерсу. Аналогічні залежності отримано з урахуванням тертя граней по покриттю та основі.

Розглянута механіка дряпання тонкого покриття пірамідою гранню вперед з урахуванням його прорізування. З умов рівноваги отримано одне рівняння задачі з двома невідомими і . При практичному використанні рівняння у даному випадку допускали, що міцність основи може бути отримана з дослідів з поверхнею без покриття. Тоді міцність покриття визначається з виразу:

. (11)

У другому випадку для отримання залежності використовувались два досліди з різними навантаженнями. Так як силам першого і другого проходів відповідають різні розміри треків, то для уточнення параметрів міцності була запропонована більш точна залежність:

, (12)

де індекси відносяться до першого та другого проходів.

Отримані також залежності для оцінки параметрів розсіювання при заданих параметрах випадкових величин и . За фізичним змістом та величиною =.

Експериментальні дослідження міцності покриттів виконувались на установці СМ-01 згідно методики, описаної у третьому розділі. Випробовувались АІП дуралюміну Д16Т з метою вибору оптимального режиму технології їх формування. Дані випробувань та характеристики покриттів при трьох різних режимах А,В,С наведені у таблиці 2. Головні результати досліджених АІП зводяться до наступного:

1. Скреч-метод дозволяє отримувати обгрунтовані кількісні характеристики покриттів. Наприклад, встановлено, що технологічний режим В формує покриття з міцністю =3249,1 МПа, що в 1.5 рази міцніше покриття, отриманого за режимом А. Таким чином, скреч-метод дає дані для оптимізації режимів за критерієм міцності покриття.

Дослідження зносостійкості (рис.5) сформованих покриттів показали її добру кореляцію з границею міцності при контактному . Максимальному півню міцності =3249,1 МПа відповідає і найвища зносостійкість =241,5 год/г.

2. Корисним є також другий критерій - коефіцієнт варіації сил дряпання або тертя, як величина, що пов'язана з міцністю поверхні.

3. Скреч-метод дозволяє визначити як коефіцієнт опору дряпанню, так і коефіцієнт тертя алмазу по покриттю.

За допомогою скреч-методу були виконані дослідження міцності покриттів деталей газового лічильника РЛ4 (ротора та шестерні), виготовлених з сплавів АД31 та В95Т з оксидними покриттями, сформованими за стандартною технологією, що застосовується на ВО "Новатор" (м. Хмельницький).

основні результати та висновки

1. Створено (розроблено, обгрунтовано і реалізовано) ефективний метод дослідження механічних і трибологічних властивостей поверхонь тертя, що отримав назву скреч-метод. Використовується дряпання випробуваної поверхні чотиригранною алмазною пірамідою гранню вперед із записом скречеграм та трибограм.

2. Виконано аналіз контактної взаємодії вершини жорсткої алмазної чотиригранної піраміди з пластичною поверхнею. Результати цього аналізу є теоретичною основою розробленого методу.

Отримана залежність контактних нормальних тисків від загального навантаження на індентор, розміру відбитка та коефіцієнта тертя.

Запропоновано нормальні контактні тиски, що виникають на гранях піраміди при пластичних деформаціях вдавлюванням, називати границею міцності або границею текучості поверхні при контактних навантаженнях стиску. Відома залежність твердості від розмірів площі контакту пояснена впливом масштабного фактора на границю міцності поверхні.

Отримана залежність сили опору дряпанню від навантаження, коефіцієнта тертя і кута піраміди. Запропоновано граничний стан поверхні при дряпанні описувати за допомогою границі міцності поверхні такою ж, як і при вдавлюванні.

Розроблено метод визначення границі міцності поверхні при дряпанні, який грунтується на видаленні тертя по бокових гранях і з загальної сили дряпання. Сили тертя визначаються при повторному проході індентора по треку.

3. Розроблено установку (скречметр СМ-01) і методику дослідження трибологічних та механічних властивостей поверхні запропонованим скреч-методом. Установка дозволяє записувати з високою точністю скречеграми і трибограми. Методика статистичної обробки результатів в поєднанні з теоретичними залежностями дає процедуру визначення міцності поверхні при дряпанні. Досліджено 16 різних матеріалів і покриттів, для яких визначено параметри трибологічних властивостей.

4. Випробуваннями різних варіантів поверхонь скреч-методом встановлено його ефективність для трибологічних досліджень.

Середнє значення границі міцності поверхні та коефіцієнт варіації цієї величини є більш інформативними характеристиками поверхні, ніж твердість або границя міцності на ростяг матеріалу поверхні. Ці характеристики, отримані при дряпанні поверхні пірамідою гранню вперед, відображають особливості міцності при контактному деформуванні стиском.

Якщо в момент зрушування піраміди зміцнення матеріалу поверхні достатньо велике(~>15%), то перед дряпанням піраміда піднімається. В противному разі піраміда опускається або рухається по горизонталі.

Коливання сил дряпання і тертя на скречеграмах і трибограмах є відображенням неоднорідності структури поверхні. Це не механічний коливальний процес.

Метод повторних проходів по одному треку чотиригранною пірамідою гранню вперед є методом визначення коефіцієнта тертя при дряпанні.

Отримана степенева залежність глибини дряпання від навантаження є основою для моделювання абразивного зношування.

5. Скреч-метод розвинуто на визначення механічних та трибологічних властивостей тонких твердих покриттів на пластичній основі.

Технологія формування анодно-іскрових покриттів (АІП), як ефективний метод створення зносостійких поверхонь, вдосконалена в напрямках: 1) створення комбінованих режимів формування покриттів; 2) розробки оригінальної електричної схеми для реалізації імпульсних знакозмінних режимів; 3) розробки динамічної активації електроліту струменевим перемішуванням.

При розгляді механіки вдавлювання жорсткого індентора у формі піраміди в пластичну основу з тонким твердим покриттям отримано залежності для одночасного визначення міцності як покриття, так і основи при дворазовому вдавлюванні з урахуванням тертя поверхонь.

При розгляді механіки дряпання жорсткої чотиригранної піраміди гранню вперед твердого тонкого покриття отримано залежності границь міцності поверхні покриття і поверхні основи як базові співвідношення для застосування скреч-методу з метою оцінки якості покриттів. При визначенні механічних властивостей поверхонь покриттів також використовується метод повторного проходу індентора по одному треку.

Випробування анодно-іскрового покриття дуралюміну Д16Т скреч-методом показали:

1) скреч-метод є ефективним методом оцінки стану покриття; границя міцності покриття і його коефіцієнт варіації є визначальними критеріями міцності і якості поверхні;

2) скреч-метод використано для вибору оптимального режиму формування АІП дуралюміну Д16Т, який забезпечує найбільшу міцність покриття;

3) визначено коефіцієнт опору дряпанню і коефіцієнт тертя алмазної піраміди по покриттю з оксиду алюмінію.

За допомогою скреч-методу виконано порівняння різних технологій формування покриттів з оксиду алюмінію на деталях газових лічильників. Встановлено, що серійна технологія, застосовувана на ВО "Новатор" (м.Хмельницький), за показниками міцності, стабільності та вартості поступається розробленій технології анодно-іскрової обробки.

Технологія анодно-іскрової обробки рекомендується для використання на виробництвах, які виготовляють газові лічильники.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО МАТЕРІАЛАХ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Кузьменко А.Г., Волынский Б.С., Заболотная Л.В. Скрэч-метод определения механических свойств поверхности. В 3-х частях. // Проблемы трибологии. - 1998. - №1. - С. 3 - 82.

2. Кузьменко А.Г., Волынский Б.С. Решения задачи о вдавливании жесткой пирамиды в упруго-пластическою плоскость вариационно-зкспериментальным методом // Проблеми трибології. -1999. - №1. - С. 63-68.

3. Кузьменко А.Г., Волынский Б.С К вопросу о прочности поверхностей трения //Вісник Технологічного університету Поділля-1999.- №3. -С. 41-44.

4. Волынский Б.С. Зкспериментальная установка для исследования изнашивания и злектрических свойств контактов // Тез. докл. обл. наук. -техн. конф. «Применение композиционньїх материалов в узлах трения технологического оборудования». - Хмельницкий, 1986 . - С. 24 - 25.

5. Волинський Б.С. Скреч-метод визначення трибологічних властивостей поверхні // 4-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, МСУІМЛ-4, 19-21 травня 1999р. -Львів. 1999. – С. 117.

АНОТАЦІЯ

Волинський Б.С. Скреч-метод визначення трибологічних властивостей поверхні. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Технологічний університет Поділля. Хмельницький, 1998.

Розроблено метод визначення трибологічних властивостей шляхом дряпання поверхні, що отримав назву скреч-метод (СМ).

Вивчена механіка контактної взаємодії твердої чотиригранної алмазної піраміди з пластичною поверхнею при вдавлюванні та дряпанні, як основи СМ. Виготовлено прилад та розроблена методика визначення границі контактної міцності поверхні при дряпанні. Встановлені закономірності руху піраміди при зсуві в залежності від ступеня зміцнення матеріалу. СМ розвинуто і використано для оцінки якості тонких твердих анодно-іскрових покриттів дуралюміну Д16Т.

Ключові слова: зносостійкість, коефіцієнт тертя, контактні тиски, міцність поверхні, твердість, дряпання, скреч-метод, установка для випробовування дряпання, анодно-іскрове покриття, неоднорідність структури.

АННОТАЦИЯ

Волынский Б.С. Скрэч-метод определения трибологических свойств поверхности. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и износ в машинах. - Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 1999.

Разработан метод определения трибологических свойств, основанный на царапаньи поверхности пирамидой Виккерса гранью вперед, названный скрэч-методом (СМ).

Теоретической основой метода является контактная механика вдавливания й царапанья пирамидой без учета и с учетом сил трения. Распределение нормальных контактних давлений на гранях пирамиды определено вариационно-експериментальным методом. Равномерный характер распределения имеет место лишь при п = 2, где п является показателем степени зависимости глубини внедрения индентора от нагрузки. Показано, что наличие трения снижает величину контактных давлений.

Получена зависимость силы сопротивления царапанью от нагрузки, козффициента трения и угла пирамиды. Предложено предельное состояние поверхности при царапаньи описывать пределом прочности поверхности при контактном сжатии . При зтом сила трения боковых граней вычитается из общей силы сопротивления царапанью на первом проходе. Силы трения определяются при повторных проходах по одному и тому же треку. Их стабилизация достигается уже на третьем проходе.

Для реализации метода разработано установку скрэч-метр СМ-01 и методику исследования трибологических и механических свойств поверхности. Исследовано 16 разных материалов и твердых покрытий, для которых определены параметры трибологических свойств.

Среднее значение предела прочности поверхности и коэффициент вариации этой величины являются более информативными характеристиками, чем твердость и предел прочности при растяжении материала поверхности.

Колебание сил царапанья и трения, фиксируемых на скрэчеграммах и трибограммах, есть отражение неоднородности структуры поверхности материала. Определены закономерности движения пирамиды при сдвиге в зависимости от степени упрочнения материала.

Скрэч-метод развит на определении трибологических и механических свойств тонких твердых покрытий на пластичной основе. Испытания анодно -искровых покрытий, сформированых на дуралюминий Д16Т по разработанной в работе технологии свидетельствуют о том, что:

1) скрэч-метод является эффективным методом оценки состояния поверхности покрытия;

2) скрэч-метод использовано для выбора оптимального режима формирования анодно - искровых покрытий на сплавах алюминия, обеспечивающего наибольшую прочность покрытия.

Исследование иэносостойкости сформированых покрытий показывают ее зависимость от предела прочности при контактном сжатии : максимальному уровню прочности =3249 МПа соответствует и наибольшая износостойкость=241,5 час/г.

Ключевые слова: износостойкость, коэффициент трения, прочность поверхности, твердость, царапанье, скрэч-метод, установка для испытаний царапаньем, анодно-искровое покрытие, неоднородность структуры

SUMMARY

Volynsky B.S. The scratch-method of determining of tribological properties of a surface. Typescript. The thesis presented for a master's degree of technical sciences. Speciality 05.02.04 - friction and wear in machines. Technological University Podillya, Khmelnitsky, 1998.

The method of determining of tribological properties by scratching the surface has been elaborated. It was called the scratch-method.

Mechanics of contact interaction of the hard four edge diamond pyramid with a plastic surface. When pressing and scratching as a basis of the scratch-method has been studied. The device has been created and methods of determining the limit of the contact strength of the surface. When scratching have been worked out.

The study of surfaces of 16 various materials and coatings has been fulfilled. Regularities of the movement of the pyramid at the shift depending on the degree of strengthening material have been found. The scratch-method is developed and used for valuing of the quality of the thin hard anode sparking coatings of duralumin D16T.

Key words: strength of a surface, hardness, scratching, scratch-method, installations for test when scratching, anode sparking coating, method of calculations of coating, method of tests of coatings.