Effect of lubricating composition with ultra-dispersive additives on fretting fatigue process

Толық мәтін

Введение. Одной из проблем технологического Процесс фреттинга является одним из видов кон-оборудования являются процессы фреттинга, которые тактного взаимодействия твердых тел при наличии часто развиваются в зонах контакта сопряженных нормальной и касательных составляющих сил от деталей при малых колебательных смещениях одной внешней нагружи и сил трения. В з°не мнтакга на поверхности относительно другой. элементарный объем материала будут действовать циклически изменяющиеся напряжения от нормального 198 Технологические процессы и материалы сжатия и знакопеременных касательных напряжений от сил трения, возникающих на поверхности у границы контакта. Вследствие малой амплитуды относительного проскальзывания соприкасающихся поверхностей износ при фреттинге является сильно локализованным на площадках фактического контакта, а продукты разрушения поверхностных слоев не имеют возможности свободно выходить из двумерного пространства между трущимися телами. Поэтому они перетираются и накапливаются в окрестностях площадок фактического контакта, что приводит к усилению их абразивного действия [1; 2]. В сочетании таких условий, как проскальзывание при трении и повышение нагрузки, приводящей к росту объемных напряжений, это может привести к развитию наиболее тяжелого последствия - началу процессов фреттинг-усталости [3; 4]. Механизм фреттинг-усталостных процессов включает в себя взаимосвязанное развитие таких процессов, приводящих к повреждению контактирующих поверхностей, как фреттинг-коррозия и механическая усталость. Их взаимодействие ведет к резкому снижению предела выносливости деталей в 1,5-3 раза. Фреттинг-усталостные повреждения характерны для болтовых, штифтовых, шпоночных, шлицевых соединений, поверхностей деталей, посаженных с натягом, валов, муфт и других деталей [5-7]. Механизм зарождения усталостных повреждений прямо связан с силой трения, так как с ее ростом повышается касательное напряжение на контакте. Одним из методов защиты от фреттинг-повреждений являются снижение коэффициента трения и предотвращение проскальзывания контактирующих поверхностей [8]. В этом случае для повышения фреттинго-стойкости применяемых смазочных материалов могут быть использованы функциональные твердые добавки, например ультрадисперсные порошки алмазогра-фита (УДПАГ). Цель. Целью проводимых исследований была оценка эффективности введения добавки УДПАГ в пластичные смазочные материалы для повышения их фреттингостойкости. В данной работе приведены отдельные результаты комплексного исследования, проводимого для определения трибологических свойств пластичных смазочных материалов с добавками УДПАГ. Наработка,ч а Методы исследований. Испытания проводились по стандартной схеме «плоскость - торец ролика», применяемой для моделирования фреттинг-процес-сов. Удельное давление на контакте составляло 120-130 МПа, частота колебаний подвижного образца вокруг своей оси 8,2 Гц, амплитуда колебаний 0,4 мм. Время одного цикла испытания составляло 6 ч. Подвижный образец изготавливался из стали 45 с последующей термообработкой до HRC 42-45, неподвижный (пластина) - из стали 30ХГС и термообработкой HRC 38-40. Контактирующие поверхности образцов подготавливались шлифованием до шероховатости Ra = 1,6 мкм. Для создания смазочных композиций с ультрадис-персным алмазографитом применялись пластичные смазочные материалы марок ЦИАТИМ-201 и солидол (С). Выбор этих марок для исследований основывался на различии их трибологических свойств. Литиевая пластичная смазка ЦИАТИМ-201 обладает хорошей морозостойкостью и может работать в широком интервале температур, имеет удовлетворительную механическую стабильность. Кальциевая пластичная смазка солидол (С) при хорошей коллоидной стабильности, водостойкости и защитных свойствах обладает несколько узким диапазоном рабочих температур и низкой механической стабильностью. Эффективность использования добавки в смазочных материалах оценивалась по величине износа неподвижного образца и состоянию контактирующих поверхностей. Добавка представляет собой углеродную смесь с размером частиц до 40 нм, в которой доля графита составляет около 80 %, другая часть находится в виде высокодисперсной алмазоподобной фазы. Концентрация добавки в смазочной композиции составила 1 масс. % как наиболее оптимальная при ее использовании в пластичных смазочных материалах [9]. Результаты исследований. Изображенные на рис. 1 графики показывают изменение величины массового износа пластины при использовании базовых смазочных материалов и смазочных композиций на их основе. По данным графикам можно наблюдать, что по величине износа базовые смазочные материалы имеют примерно одинаковые противоизносные свойства, чуть лучшие для солидола (С). Наработкам б Рис. 1. Зависимость величины износа неподвижного образца от наработки при испытании смазочных материалов: а - ЦИАТИМ-201; б - солидол (С); 1 - без УДПАГ; 2 - с УДПАГ 199 Вестник СибГАУ. 2014. № 3(55) Использование твердой добавки заметно изменяет картину. В этом случае различимо возрастает эффективность смазочных свойств у смазочного материала ЦИАТИМ-201, повышая противофреттинговые свойства в 1,8-2,2 раза, тогда как у солидола (С) значительно ухудшаются. Введение УДПАГ в солидол (С) снижает противофреттинговые свойства в 1,2-1,5 раза. Оценка влияния смазочных материалов на снижение процессов фреттинга выполнялась также по состоянию дорожек трения на неподвижной пластине. Определялась глубина повреждений, изменение величины шероховатости Ra/Ra0 до и после испытаний, а также общее состояние поверхности. Исследования обнаружили, что по этим показателям после введения ультрадисперсного алмазографи-та лучшим является смазочный материал ЦИАТИМ-201, приводящий к качественному изменению микрорельефа трущейся поверхности. Так, на рис. 2 представлены фотографии состояния дорожек трения, полученные после проведения испытаний со смазочным материалом без добавки и после её введения. Анализ снимков, полученных после проведения испытаний, позволяет судить о том, что ультрадис-персные порошки алмазографита оказывают значительное влияние на микрорельеф поверхностей трения. Можно отметить заметное сглаживание неровностей, снижение количества раковин, царапин, следов коррозионного износа. Такое изменение шероховатости увеличивает фактическую площадь контакта, что снижает контактные давления и более равномерно распределяет нагрузки по контурным площадям контакта. Рассмотрение других результатов, полученных в ходе проведения исследований, также позволяет сделать выводы об эффективности введения твердой добавки УДПАГ в пластичную смазку ЦИАТИМ-201. После испытаний средняя величина отношения Ra/Ra0 для смазочного материала без добавки составила Ra/Ra0 = 2,7, при введении УДПАГ она снизилась и равнялась Ra/Ra0 = 1,61. Для солидола (С) это отношение изменилось незначительно: 1,14 и 1,06 без добавки УДПАГ и с добавкой соответственно. Результаты проведенных исследований позволили предположить причины проявления хороших триботехнических характеристик смазочных материалов с добавкой ультрадисперсного порошка алмазографита. В отличие от широко применяемых порошковых добавок, для УДПАГ характерна высокая адгезионная способность к металлическим поверхностям за счет повышенной поверхностной энергии. Наличие собственного заряда и взаимодействие с поверхностью металла приводит к образованию ориентированного слоя на контактирующих поверхностях, что способствует прочному удержанию граничного слоя смазочного материала на поверхности трения. Введенные в смазочный материал частицы ультрадисперсного алмазографита локализуют участки на трущихся поверхностях, образовывая на них прочную пленку. Это снижает коэффициент трения, препятствует схватыванию контактирующих поверхностей и повышает способность пленок смазочного материала выдержать значительные нагрузки без разрушения. б Рис. 2. Внешний вид дорожек трения на пластине после испытаний со смазочным материалом ЦИАТИМ-201: а - без добавки УДПАГ; б - с добавкой УДПАГ 200 Технологические процессы и материалы Таким образом, результаты эксперимента наглядно демонстрируют положительное влияние ультрадисперсного порошка алмазографита на повышение фреттингостойкости литиевых смазочных материалов (ЦИАТИМ-201) и улучшение их противоизносных свойств. С другой стороны, введение добавки в кальциевые смазочные материалы (солидол (С) приводит к ухудшению некоторых смазочных характеристик. Проведенные ранее трибологические исследования для пластичных смазочных материалов также подтверждают положительное влияние УДПАГ на литиевые смазочные материалы [10-12]. Заключение. Введение ультрадисперсного алмазографита снижает величину износа в 1,8-2,2 раза и уменьшает глубину повреждений трущейся поверхности на 24-28 %. Сравнительный анализ значений контактных напряжений, определенных с помощью компьютерного моделирования, показал, что при включении в пластичный смазочный материал добавки УДПАГ происходит снижение величины контактных напряжений на 18-20 %. Это увеличивает время до начала фреттинг-усталостного разрушения поверхности и позволят продлить срок службы узлов трения в 1,5-2 раза по сравнению с базовыми смазочными материалами.

Авторлар туралы

Sergey Dokshanin

Siberian Federal University

Email: Sergey_dokshanin@mail.ru
Candidate of Engineering Science, associate professor of Applied Mechanics Department

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар