Особенности изнашивания контактной поверхности стали при скольжении под низким контактным давлением

Введение

Скользящий контакт металла по металлу обычно сопровождается изменением контактных поверхностей за счет пластической деформации и усталостного разрушения [1]. Мерой этого разрушения служит интенсивность изнашивания, которая является главной функциональной характеристикой скользящего контакта. Износ зависит от многих входных параметров трибосистемы, в частности, от контактной нагрузки, скорости скольжения, фазового состава контактных материалов, геометрии контакта и т.п. Эти факторы задают механизмы изнашивания, которое всегда обусловлено адгезионным и механическим взаимодействием неровностей контактных поверхностей [1; 2]. Изнашивание характеризуется также другими выходными парамет­рами трибосистемы: коэффициентом трения, структурными параметрами контактных слоев и т. п. [3 – 6].

Одним из самых тяжелых видов нагружения является воздействие сухим трением на металл. В этом режиме снижение скорости разрушения контактного слоя (а также износа) является возможным, например, в случае его самоорганизации, окисления на поверхности трения и т. п. [3; 5; 7 – 9]. Триботехническое поведение пар трения было исследовано, в первую очередь, при разных контактных давлениях и скоростях скольжения [4; 7; 10 – 16]. Было отмечено [7; 10; 15], что коэффициент трения обычно уменьшается при увеличении скорости скольжения, но в некоторых случаях он может увеличиваться [16]. Наблюдались также изменения структуры контактных слоев, в частности, их аморфизация и окисление [4; 8; 13 – 15]. Однако не были показаны температуры контакта или температуры держателей образцов, поэтому ориентировочные температуры, вызывающие окисление в зоне трения, не известны.

В общем случае температура в зоне контакта зависит от теплоотвода. Низкий теплоотвод, обусловленный низкой теплопроводностью образца или конструкцией держателя образца, вызывает высокие локальные температуры и высокие градиенты температуры в зоне контакта. Это приводит к быстрому разрушению поверхности скольжения при увеличении нагрузочных параметров. Нахождение взаимосвязи износа и теплового состояния трибосистемы является одной из актуальных задач триботехнического материаловедения. Определение температуры контакта имеет некоторые технические трудности: температура может быть найдена (экспериментально или теоретически) только приблизительно. Температуру держателя образца можно определить проще и точнее. Именно поэтому эта температура может служить одной из характеристик скользящего контакта.

Поверхность скольжения часто бывает отшлифована и очищена от продуктов окисления перед проведением триботестов [17 – 19]. Представляет научный интерес определение целесообразности этих действий для снижения износа. Обычно продукты окисления на поверхности контакта являются разделительной средой между контактными поверхностями и вызывают снижение адгезии, коэффициента трения и износа [4; 5; 11; 12; 14 – 16; 20]. Однако в некоторых случаях окислительная газовая среда вызывает более сильный износ, чем износ в безкислородной среде [21]. Кроме того, различие конструкций узлов трения и других параметров трения в разных исследованиях могут быть причиной различия износа. Эти различия в характере трения указывают на необходимость дополнительных исследований в этом направлении. Сталь Ст3 может служить модельным образцом, а закаленная сталь 45 может служить модельным контртелом.

Целью настоящей работы является определение взаимосвязи износа стали Ст3, температуры держателя образца и фазового состава контактного слоя стали Ст3 при скольжении по стали 45 при разных скоростях скольжения.

Материалы и методики эксперимента

Для изготовления наклепанных образцов (H_μ = 2,2 ГПa) с площадью поперечного сечения 2,5×4,0 мм и высотой 6 мм использована низкоуглеродистая сталь Ст3 (0,2 % С). Рентгеновский фазовый анализ контактных слоев образцов проведен на дифрактометре ДРОН-7 в излучении CuK_α. Поверхности скольжения изучены с помощью конфокального лазерного микроскопа (CLM, Olympus OLS 4100).

Нагружение материалов трением проведено под давлением (Р) 0,13 МПа без смазки, при скоростях скольжения v = 0,75 ÷ 8,0 м/с на машине трения СМТ-1 по схеме вал – колодка (точнее «pin-on-ring», рис. 1). Контртелом служила сталь 45 (0,42 – 0,50 % C) твердостью H_μ = 5,8 ГПa (53 HRC). Термопары (хромель – копель) были зафиксированы на держателе образца с помощью винтов. Линейная интенсивность изнашивания определена как I_h = h/D (где h – изменение высоты образца; D – дистанция скольжения). Коэффициент трения был определен при помощи тензодатчика ZET 7111. Каждый тест был выполнен три раза.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Значения полученных параметров приведены в таблице, где а – параметр решетки α-Fe; I₁₁₀/I₂₀₀ и I₁₁₀/I₂₁₁ – отношение интенсивностей рентгеновских пиков α-Fe; Т₁ и Т₂ – температура термопар на держателе образца; I_h – интенсивность изнашивания; В₁₁₀ и В₂₀₀ – полуширина В_hkl рентгеновских пиков.

На поверхностях контакта, полученных при скольжении со скоростью в пределах 0,7 – 1,3 м/с, отсутствуют явные признаки адгезии (рис. 2, а, б). Рентгенография поверхностей контакта показала только фазу α-Fe (рис. 3, а). Параметр решетки этой фазы (см. таблицу) близок к стандартному значению 0,2866 нм (ASTM 6-696 Standard). Коэффициент трения f при этих скоростях снижается с течением времени и в дальнейшем сохраняет значение 0,4 (рис. 3, б, в). Снижение коэффициента трения связано с появлением слоя переноса на поверхности контртела. Этот слой наблюдается визуально и легко удаляется ветошью. Интенсивность изнашивания образцов I_h увеличивается с ростом скорости скольжения от 0,75 до 1,3 м/с (см. таблицу). Поверхности контактов образцов имеют приблизительно одинаковый вид (рис. 2, а, б).

Увеличение скорости скольжения до 2,5 м/с приводит к появлению признаков сильного адгезионного взаимодействия на поверхности контакта образца (рис. 2, в). Сильные колебания коэффициента трения и его высокие (0,7 – 0,8) значения (рис. 3, г) также указывают на сильную адгезию в контакте. Слой переноса на поверхности контртела отсутствует. В этих условиях наблюдается высокая интенсивность изнашивания I_h (см. таблицу). Контактный слой содержит только фазу α-Fe (рис. 3, а), параметр решетки остается близким к стандартному.

Скольжение при плотности тока 5,0 м/с происходит без образования слоя переноса. Визуальные признаки сильной адгезии отсутствуют (рис. 2, г). Адгезия проявляется в виде редких и сильных колебаний коэффициента трения (рис. 3, д). Контактный слой содержит только фазу α-Fe (рис. 3, а). Интенсивность изнашивания I_h имеет низкое значение (см. таблицу).

Скорость скольжения до 8,0 м/с вызывает появление рельефа с признаками слабого адгезионного взаимодействия на контактной поверхности образца (рис. 2, д) при коэффициенте трения 0,6. Слой переноса отсутствует. Структура контактного слоя представлена только фазой α-Fe (рис. 3, а). Износ I_h наблюдается высокий (см. таблицу).

Низкие температуры Т₁ и Т₂ держателя образца (см. таблицу) и отсутствие продуктов окисления на поверхности контакта (рис. 3, а) свидетельствуют о низкой температуре контакта. Видно также увеличение отношений I₁₁₀/I₂₀₀ и I₁₁₀/I₂₁₁ интенсивностей рентгеновских пиков при росте скорости скольжения (см. таблицу), что может указывать на образование деформационной текстуры. При скорости скольжения 8,0 м/с отношения интенсивностей рентгеновских пиков начинают снижаться, что может быть связано с частичной рекристаллизацией зерен или с удалением максимально текстурированного контактного подслоя в виде частиц износа. Кроме того, наблюдается общая тенденция роста полуширины В_hkl рентгеновских пиков при увеличении скорости скольжения (см. таблицу). Это связано с увеличением напряжений в контактном слое, уменьшением размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) и другими причинами. Выяснение преимущественной причины увеличения В_hkl не представляет интереса для настоящей работы.

Многократные повторные механические и адгезионные воздействия, вызывающие превышение предела текучести в микрообъемах неровностей контактной поверхности, приводят к накоплению дефектов разных масштабов, то есть образуются вакансии, поры, зерна малых размеров и другие дефекты структуры в зоне контакта. В этом случае наблюдаются усталостное разрушение и возникновение частиц износа. Следует отметить, что усталостные разрушения за счет адгезии обычно превалируют над разрушением при механическом соударении двух встречных микронеровностей [1]. Как правило, механизм разрушения зоны контакта зависит от способа релаксации напряжений, а этот способ зависит от условий нагружения. Например, изменение скорости скольжения, то есть изменение скорости деформации (изменение скорости введения энергии в контактный слой) вызывает изменение скорости разрушения контактного слоя (интенсивности изнашивания I_h (см. таблицу)). Это указывает на изменение механизмов релаксации напряжений при изменении скорости скольжения v.

Низкие скорости скольжения способствуют относительно слабому механическому взаимодействию двух встречных неровностей, но обеспечивают длительный контакт в пятнах контакта и соответствующее длительное адгезионное взаимодействие. Поэтому есть вероятность возникновения адгезии в пятнах контакта, которая может быть прочнее когезионных связей под пятном контакта. Это может привести к отделению микрообъема образца и его переносу на поверхность контртела. Появление слоя переноса на поверхности скольжения контртела при скоростях 0,75 – 1,3 м/с и некоторого износа образца (см. таблицу) вполне соответствует такому механизму. В этом случае микронеровность может разрушиться сразу за счет адгезии или за счет усталости, возникающей вследствие многократного адгезионного воздействия. Этот слой переноса легко удаляется и способствует проявлению коэффициента трения, значение которого ниже, чем при скольжении по чистой (начальной) поверхности контакта (рис. 3, б, в). Очень вероятно, что напряжения при этих скоростях релаксируют преимущественно за счет пластических сдвигов и образования дислокационных и дисклинационных структур в очень тонком контактном слое со слабой текстурой. Эти сдвиговые механизмы являются активными при любом режиме трения, но они не всегда могут быть главными.

Высокие адгезионные напряжения в скользящем контакте могут быть релаксированы только за счет большой сдвиговой пластической деформации с образованием большого количества несплошностей (микропор, микротрещин и т.п.) при v = 2,5 м/с, то есть когда отсутствуют более эффективные механизмы релаксации напряжений.

Известно [22; 23], что импульсное нагружение металла приводит к усилению диффузии, которая является одним из способов релаксации напряжений. Следует ожидать заметного проявления этого эффекта в импульсном контакте неровностей при увеличении скорости скольжения. Низкий износ образца при v = 5,0 м/с указывает на возможность проявления этого эффекта и на образование диссипативных структур в контактном слое. Эти структуры исчезают после выхода пятен контакта из сопряжения. Определение механизма релаксации является темой отдельной работы и здесь не проводится.

Представленные механизмы релаксации напряжений могут проявиться также при v = 8,0 м/с. Но значение I_h достаточно высокое (см. таблицу), так как пластически деформированный контактный слой должен расти при увеличении скорости скольжения, обеспечивающей и рост скорости деформации. Поэтому следует ожидать увеличения износа при увеличении скорости скольжения выше 5,0 м/с, несмотря на уменьшение коэффициента трения и амплитуды его колебаний (рис. 3, е). Следует отметить, что часто значение I_h снижается при увеличении скорости скольжения [15; 24]. Более точные данные предполагается получить при v > 8,0 м/с в отдельной работе.

Выводы

Получены данные об износе стали Ст3 при трении по стали 45 при отсутствии продуктов окисления между ними и при скоростях скольжения до 8 м/с под контактным давлением 0,13 МПа.

Фазовый состав контактных поверхностей состоит из фазы α-Fe, имеющей параметр решетки 0,287 нм при всех рассмотренных скоростях скольжения. Температура держателя образца не превышает 35 °С при скорости скольжения в интервале от 0,75 до 8 м/с.

Увеличение скорости скольжения вызывает усиление образования текстуры контактного слоя. При скоростях скольжения 0,75 и 1,3 м/с на контактной поверхности контртела удерживается слой переноса, что вызывает снижение коэффициента трения до 0,4, но при этом наблюдается адгезионный износ.

Увеличение скорости скольжения до 2,5 м/с вызывает рост интенсивности изнашивания вследствие сильной адгезии в контакте. Увеличение скорости скольжения в интервале 2,5 – 5,0 м/с приводит к резкому снижению интенсивности изнашивания, а в интервале 5,0 – 8,0 м/с – к некоторому ее увеличению.