National Research Nuclear University “MEPhI” (Professor)
Bauman Moscow State Technical University (Professor)
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
UDK 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
The process control analysis for the period of running-in of friction pair parts is carried out. Technological and other ways for running-in time reduce are given. The mode and equipment of low-temperature annealing in silicon dioxide are presented. Roughness measurement instrument, chemical composition measurement, structure and wear measurement of the surface are provided. It is found that under low-temperature annealing in silicon dioxide, the surface roughness is smoothed according to the main roughness parameters. The height roughness parameters Ra, Rmax decreased: Ra (parameter) by 4,5 times; the Rmax (parameter) by 5,1 times. The stepwise parameters S, Sm had differently directed movement: the parameter Sm increased by 2.2 times; the parameter S decreased by 1,6 times. A decrease in the height Ra, Rmax and an increase in the stepwise Sm roughness parameters proves surface smoothing resulted from annealing. A decrease in the parameter S indicates a general decrease in the number of roughness peaks. It should also be noted that the value of the parameter of the tp profile reference curve decreases by 50 %, as a characteristic of reducing the bearing capacity of the material. The results of the chemical analysis showed an increase in the amount of silicon in the surface layer and a decrease in the amount of chromium. Metallographic analysis made it possible to come at the formation of a surface layer enriched with silicon. As a result of wear tests, it was found that the total wear of a sample friction pair after low-temperature annealing decreased as compared to the base sample. Under wear tests, the cylinder-plane scheme was used at the load of 30 N.
running-in, low-temperature annealing, silicon dioxide, wear, surface quality
В инженерной практике принято считать, что в процессе приработки трущихся поверхностей происходит пластические и упругие деформации макро-, микро- и нанонеровностей. Причем смещение поверхностей перед каждым новым приложением нагрузки будет вызывать упругие и пластические деформации или срез ранее не контактирующих поверхностей, после многократных смещений и повторных приложений нагрузки все большая часть неровностей будет деформироваться упруго и все меньшая их часть будет иметь пластический характер. При уменьшении длительности процесса приработки неровности поверхностей трения быстрее приобретают равновесную шероховатость и скорость изнашивания уменьшается. В этой связи пути уменьшения времени на приработку поверхностей трения представляют интерес для научной общественности.
Ведется анализ процессов формирования микропрофиля поверхностей деталей машин на этапах обработки и приработки [1]. Разрабатываются методы технологического управления физико-химическими параметрами поверхностных слоев [2]. Проводятся исследования износостойкости, контактной жесткости и антифрикционных свойств поверхностей после их напыления и упрочнения [3]. Предлагаются новые методики приработки [4], которая состоит из двух режимов. На первом режиме задаётся максимальная нагрузка, ниже нагрузки «заедания» при минимальной скорости скольжения. На втором режиме задаётся минимальная нагрузка и максимальная скорость скольжения. Получены переходные характеристики приработки трибосистем, которые позволяют установить взаимосвязь между конструкцией трибосистемы, рациональными режимами нагружения, временем приработки и износом за приработку. Проводится моделирование процессов приработки для поверхностей различной геометрии и упрочнения [5].
Исследуются трибологические характеристики и микрогеометрия поверхностей антифрикционных сплавов в период приработки [6]. Показано, что при малых нагрузках микрогеометрия оказывает более сильное влияние на трибологические характеристики, чем при высоких нагрузках. Для минимального и среднего значения нормальной нагрузки выявлен эффект образования равновесной шероховатости, не зависящей от исходного качества поверхности трения. Исследуются влияние приработки на трибологические свойства различных фрикционных материалов [7]. Рассматривается процесс нанесения внешних антифрикционных покрытий из алюминия, оловянистой бронзы и меди механическим путем на поверхность закаленных чугунных зубчатых колес с внешним диффузионным ванадиевым покрытием взамен операции тонкого шлифования, для сглаживания исходной шероховатости поверхности [8].
В зарубежной литературе большой объем исследований направлен на поиск методов и средств уменьшения времени приработки [9], т. к. таким образом стремятся научиться управлять упругими свойствами поверхностей. Исследуется изменение коэффициента трения в период приработки [10]. Строятся численные [11] и аналитические [12] модели приработки.
Целью настоящей статьи является уменьшение времени приработки поверхностей трения.
Методы и средства
Исследования проводили на образце, изготовленном из стали 45, поверхности образца обрабатывали шлифованием до шероховатости Ra = 1,0 мкм. Шероховатость образцов измерялась на профиллографе БВ7669М на базовой длине 0,8 мм, в трех измерениях. Химический анализ поверхности проводили на спектрометре Искролайн-100, металлографию осуществляли на микроскопе LeicaDM, предварительно обработав поверхность 3,0 %-ным спиртовым раствором азотной кислоты. В качестве контртела выступала сталь 40Х с качеством поверхностей Ra = 1,0 мкм.
Отжиг образцов проводили в муфельной печи. Печь разогревалась до температуры 180 ℃, образцы, обсыпанные порошкообразным диоксидом кремния, помещали в печь и выдерживали в течении 30 мин. Остывание образцов происходило в печи при открытой дверце. Более детально методика проведения отжига приведена в работе [13].
Испытания на износ проводили по схеме цилиндр-плоскость. Испытания проводили без смазочного материала, при нагрузке 30 Н. Скорость вращения цилиндрического образца 60 об/мин, продолжительность испытаний 4,0 мин. Радиус контртела R = 25 мм.
Результаты и обсуждение
Сравнение проводили по двум образцам: первый образец – не отожженный в печи; второй образец – отожженный в печи. Результаты измерения параметров шероховатости образцов приведены на рис. 1 и в табл. 1.
Как видно из табл. 1 высотные параметры шероховатости уменьшились: параметр Ra в 4,5 раза; параметр Rmax – в 5,1 раза. Шаговые параметры повели себя разнонаправленно: параметр Sm увеличился в 2,2 раза; параметр S уменьшился в 1,6 раза. Уменьшение высотных Ra, Rmax и увеличение шаговых Sm параметров шероховатости свидетельствует о выглаживании поверхности в следствии проведенного отжига. Уменьшение параметра S говорит об общем уменьшении количества выступов шероховатости. Также следует отметить уменьшение значения параметра опорной кривой профиля t50, как характеристики уменьшения несущей способности материала.
Испытания образцов на износ (рис. 2) позволили установить, что, в целом, выглаживание поверхности привело к уменьшению
износа.
Так, износ пары трения с первым образцом составил 0,52 мм, со втором образцом –
0,4 мм. Интенсивность изнашивания пары трения с первым образцом – 1,38∙10-5, со вторым образцом – 1,06∙10-5. Следовательно, можно прийти к заключению, что процесс приработки второго образца завершится быстрее, чем у первого.
Проведенный химический анализ образцов (рис. 3) показал, что в поверхностном слое второго образца после отжига в порошке диоксида кремния увеличилось количество кремния в 1,18 раз и уменьшилось содержание хрома в 0,18 раз. Увеличение содержания кремния можно объяснить его переходом из диоксида кремния в поверхностный слой стали. Объяснить потерю хрома можно его расходом на возникающую химическую реакцию
Cr + SiO2 = CrO + SiO2. Однако, данное предположение требует дополнительно подтверждения.На металлографии второго образца (рис. 4, в) виден образовавшийся поверхностный слой. При этом, изначальная структура поверхности первого образца (рис. 4, а) после отжига (рис. 4, б) практически не претерпела изменений.
Низкотемпературный отжиг в порошкообразном диоксиде кремния позволяет «сгладить» микронеровности поверхности. В результате на поверхности образуется слой, содержащий кремний или его карбиды. Интенсивность изнашивания при этом уменьшается, что приведет к уменьшению времени приработки.
1. Nagorkin M.N., Fedorov V.P., Suslov A.G., Totai A.V. Technological control of surface operational roughness parameters for sliding friction pairs through combined antifriction surfacing // Science-intensive technologies in mechanical engineering, 2023, No. 12 (150), pp. 37–45. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-37-45. EDN QFJRDD.
2. Totai A.V. Increase of parts operation reliability by technological control of physical-chemical parameters of their surface layers // Science intensive technologies in mechanical engineering, 2020, No. 1(103), pp. 24-30. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-2020-1-24-30. EDN RYKI.
3. Pyrikov I.L. TTechnological support of operation properties in flat sliding surfaces// Science intensive technologies in mechanical engineering, 2021, No. 1(115), pp. 15–23. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-2021-1-15-23. EDN NPWXVY.
4. Voitov V.A., Bakirov A.Sh., Voitov A.V., Tsymbal B.M. Tribosystem aging technique and experimental proof of its effectiveness // Friction and wear, 2019, vol. 40, No. 5, pp. 487–497. EDN XNTCSA.
5. Volchenkov A.V., Nikitina L.G. Algorithm for developing the program of curved surfaces burn-in // Transport engineering, 2023, No. 2(14), pp. 12–18. DOIhttps://doi.org/10.30987/2782-5957-2023-2-12-18. EDN CQFMSY.
6. Tsukanov I.Yu., Shcherbakova O.O., Mezrin A.M. et al. Tribological characteristics and microgeometry of surfaces of antifriction alloys in the running-in period // Friction and wear, 2020, vol. 41, No. 1, pp. 19–26. EDN OCNFBR.
7. Bukovsky P.O., Morozov A.V., Kirichenko A.N. Influence of running-in on the friction coefficient of C/C composite materials for aircraft brakes // Friction and wear, 2020, 2020. vol. 41, No. 4, pp. 448–456. DOIhttps://doi.org/10.32864/0202-4977-2020-41-4-448-456. EDN SLHWRN
8. Veselovsky A.A. Effect of external anti-friction coatings on the surface condition and running-in of diffusion-hardened cast-iron toothed gears in a pair // Bulletin of the Kurgan State Agricultural Academy, 2020, No. 2(34), pp. 58–61. EDN ZGBMWG.
9. Jeng, Yeau-Ren, Zhi-Way Lin, and Shiuh-Hwa Shyu. «Changes of sur-face topography during running-in process». J. Trib. 126.3 (2004): 620–625.
10. A. Ruggiero, G. D. Leo, C. Liguori, D. Russo and P. Sommella. «Accurate Measurement of Reciprocating Kinetic Friction Coefficient Through Automatic Detection of the Running-In», in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69, no. 5, pp. 2398–2407, May 2020, doi:https://doi.org/10.1109/TIM.2020.2974055.
11. Rifky Ismail, Muhammad Tauviqirrahman, Jamari, Dirk J. Schipper; Two‐Dimensional Finite Element Analysis on Running‐in of Elastic‐Plastic Rolling Contact. AIP Conf. Proc. 23 De-cember 2010; 1325 (1): 190–193. https://doi.org/10.1063/1.3537894
12. Akbarzadeh, Saleh, and M. M. Khonsari. «Experimental and theoretical investigation of running-in». Tribology International 44.2 (2011): 92–100.
13. Suslov A.G., Shalygin M.G. Control of nanogeometry of parts by the method of surface hardening / Science intensive technologies in mechanical engineering, 2022, No.1(127), pp. 38–41.
