Управление качеством переходной зоны «металл-покрытие»

5.6.1. Свойства твердосмазочных покрытий при трении

Образование химических соединений определяется химической активностью твердой смазки по отношению к металлам тел трения.

Условия нанесения вибрационного химико-механического покрытия на основе дисульфида молибдена моделируют приработку двух скользящих поверхностей, покрытых МоБ:.

Химическая активность МоБ2 оценивалась методом рентгеноструктурного фазового анализа на ионизационном дифрактометре УРС-50ИМ при железном К- излучении по стандартной методике.

В результате высоких давлений или температур в зоне контакта может происходить химическое взаимодействие между твердой смазкой и металлом.

В последнее время предприняты попытки описать механизм трения, в котором основную роль играют процессы, вызванные пластической деформацией, то есть процессы механохимии. Однако последние не имеют экспериментального подтверждения, вот почему делается попытка описать сложные явления трения с

помощью универсальной модели - представления об особом состоянии твердого тела в зоне контакта. При импульсном контактном нагружении происходит локальная квазиаморфизация твердого тела, возникают частицы с большой энергией. Такое состояние является причиной возникновения химических реакций.

Образование химических соединений определяется химической активностью твердой смазки по отношению к металлам тел трения.

Условия нанесения вибрационного химико-механического покрытия на основе дисульфида молибдена моделируют приработку двух скользящих поверхностей, покрытых МоБ:. Поэтому большой интерес представляет определение химической активности дисульфида молибдена и состава продуктов, образующихся на границе раздела «металл-покрытие» в результате химического взаимодействия твердой смазки с металлом в процессе вибрационной обработки.

Химическая активность МоБ2 оценивалась методом рентгеноструктурного фазового анализа на ионизационном дифрактометре УРС-50ИМ при железном К- излучении по стандартной методике .

Образцы для рентгеноструктурных исследований приготовлялись из порошка. Так как основной интерес представляли процессы, происходящие на границе раздела «металл-покрытие», приготовление порошка производили по следующей методике. На образцы из отожженной стали ШХ 15 наносили ВиХМТП МоБ2. Затем, после удаления избытка порошка с поверхности образцов, покрытие очищалось механическим способом, а образовавшийся в процессе обработки поверхностный слой металла снимался напильником. Полученный таким образом порошок, состоящий из частиц МоБ2 и металла переходной зоны, подвергался исследованиям.

Приведенные в табл.5.4 данные показывают, что порошок в основном содержит дисульфид молибдена и материал подложки - aFe цементит Fe3C . В то же время имеются линии, которые свидетельствуют о наличии в исследуемом порошке сульфидов FeS, FeS2 и окислов железа FeO, Fe2O3, Fe3O4 .

Таблица 5.4

Рентгеноструктурные исследования образцов с дисульфидом молибдена

При тяжелых режимах трения на воздухе в зоне контакта в присутствии серосодержащих твердых смазок МоБ2 и WS2 происходит образование сульфидов

(FeS, FeS2) и окислов железа.

Процесс нанесения вибрационного химико-механического покрытия сопровождается высокими контактными давлениями в зоне соударения и образованием локальных температурных вспышек.

На основании проведенных рентгеноструктурных исследований можно предположить, что в данном процессе, благодаря большим контактными давлениями, превышающим предел текучести обрабатываемого материала, и температуре в зоне контакта, происходит химическое взаимодействие порошка МоS2 с поверхностью детали на границе раздела «металл-покрытие». Образуется химически модифицированный граничный слой, содержащий сульфиды и частично окислы железа.

5.6.2. Микротвердость, толщина и прочность сцепления дисульфидамолибдена с поверхностью металла

Микротвердость поверхностного слоя исследовалась на прямоугольных образцах размером 10?10?25 мм из стали 45. Сталь 45 подвергалась различной термической обработке.

Применялись:

1) отожженные образцы (180 НВ) с ферритно-перлитной структурой;

2) закаленные образцы при 1130 К после высокого отпуска при 770К (250 НВ), имеющие структуру сорбита закалки;

3) закаленные образцы при 1130 К после низкого отпуска при 470К (550 НВ), со структурой мартенсита отпуска.

До и после обработки микротвердость замерялась в отмеченной зоне на приборе ПМТ-3. Определение микротвердости закаленной стали производилось при нагрузке 100 г, отожженной - 50 г.

Микротвердость определялась на расстоянии 10, 20, 30, 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 мкм от поверхности. Замеры производили в пяти различных точках изучаемой зоны (рис. 5.19).

Микротвердость отожженной стали определялась как средняя микротвердость ферритных и перлитных составляющих.

Обработка производилась при амплитуде колебаний 2,5 мм; частоте колебаний 33 Гц; продолжительности 60 мин.

Для стали с твердостью 550 НВ (мартенсит отпуска) наблюдается лишь незначительное увеличение микротвердости до 4%.

Для стали с твердостью 250 НВ (сорбит закалки) при обработке в шарах с порошком Мо32 максимальное увеличение микротвердости (10%) отмечается на глубине 150 мкм.

При обработке отожженной стали 180 НВ (ферритно-перлитная структура) микротвердость увеличивается на 23%. Максимальное увеличение микротвердости наблюдается на глубине около 100 мкм.

Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением твердости обрабатываемого материала (рис. 5.17) отмечается уменьшение микротвердости поверхностного слоя в процессе вибрационной обработки в среде стальных шаров с порошком дисульфида молибдена вследствие различной упрочняемости стали, имеющей разную структуру.

220

Рис. 5.17. Изменение микротвердости стали 45 с различной структурой: а - мартенсит отпуска; б - сорбит закалки; в - ферритно-перлитная; 1 - исходный образец; 2 - после нанесения ВиХМТП Мо8 2

Максимальное увеличение микротвердости 25 30% отмечается у отожженной стали. Это, вероятно, можно объяснить еще и тем, что при обработке материалов, имеющих твердость меньше твердости частиц порошка дисульфида молибдена, пластическая деформация происходит также под действием наносимого покрытия. В процессе обработки отмечаются некоторые изменения микроструктуры поверхностного слоя стали.

Мартенситная структура после обработки в шарах с дисульфидом молибдена в течение одного часа не обладает ярко выраженной игольчатостью, а имеет более размытую, сглаженную картину (рис.5.18). Сорбитная структура

становится более мелкой на поверхности, край образца сильно деформирован (рис. 5.19).

Рис. 5.18. Сталь 45 (НВ 550):а - до обработки; б - после обработки (?800)

Рис.

При обработке стали с ферритно-перлитной структурой происходит вытягивание зерен перлита параллельно обрабатываемой поверхности. Зерна феррита из отдельных, ясно различимых островков переходят в рассеянные в перлитной матрице. Наблюдается дробление и уменьшение размеров зерен.

Деформация поверхностного слоя отличается также при обработке стали с мартенситной и сорбитной структурой. В исходном образце фиксировалась зона: вдоль поверхности образца - 100 мкм, вглубь - 700 мкм. После обработки размеры стали 115 и 675 мкм соответственно.

С целью установления параметров твердости нанесённого покрытия на более высоком уровне и оценки изменений, происходящих с ним, была

использована установка Nanotest 600 platform 2, которая позволила определить, как меняется твердость покрытия в диапазоне размеров 500-1000 нм, что фактически дает оценку влияния виброволнового воздействия непосредственно на изменения в структуре покрытия на наноуровне.

Исследование твердосмазочного покрытия проводили на предварительно полированных образцах из стали 45 в обычном диапазоне времени, размер всех образцов составлял 10x10 мм. Микротвердость исходной поверхности представлена на рис.5.20.

Рис. 5.20 Исходный образец. Материал - сталь 45; площадка 500-1000 нм

Микротвердость исходного образца сталь 45 составляла max 3,67 (GPa). После нанесения покрытия замеры проводились в той же зоне, при этом определялась твердость дисульфида молибдена, а не стали.

После обработки замеры микро/нанотвердости представлены на рис.5.23.

Рис.5.21. Микротвердость поверхности вибрационного химико-механического твердосмазочного покрытия. Материал- сталь 45; площадка 500-1000 нмт/ - составляет max 0.21 (GPa); время 30 мин; б -max 0.31(GPa); время 60 мин.

Измерение микротвердости по остаточному отпечатку на макро- и микромасштабах регламентируется ГОСТ 9450-76. В соответствии с данным стандартом минимальная нагрузка составляет 5г, а размер отпечатка должен быть не менее 4 мкм. Эти ограничения в значительной степени обусловлены

предельными техническими характеристиками оптической системы наблюдения отпечатка. Однако этот метод можно применять и на субмикронном масштабе, если линейные размеры остаточного отпечатка определяются методами сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), а не оптической микроскопии. Исследование остаточных отпечатков ВиХМЦП методами СЗМ дает возможность определить не только проекцию площади остаточного отпечатка, но и его глубину, а также учесть площадь пластических навалов при определении контактной площади отпечатка. Таким образом, применение СЗМ позволяет распространить применение данного метода в область нагрузок, существенно меньших 5г. При этом методически такой подход является наиболее близким к способам определения твердости на микро- и макромасштабах, что дает возможность проследить значения микротвердости от эталона к рабочим средствам измерения, применяемым для измерения механических свойств ВиХМЦП на субмикронных масштабах.

При переходе к наномасштабным измерениям и уменьшении глубины внедрения индентора (