СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ АДГЕЗИОННОЙ СВЯЗИ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01N19/04 

Изобретение относится к области определения адгезионной прочности покрытий, нанесенных фрикционно-механическим способом, и может быть использовано при исследовании антифрикционных покрытий нанесенных на чугунные поверхности пар трения, работающих в условия граничной смазки.

Наиболее близким по технической сущности решением к предлагаемому способу является метод определения прочности адгезионной связи на срез пленок одного материала, нанесенной на поверхность материалов, имеющих различную твердость, заключающийся в деформации пленок материалов образцов, имеющих различную твердость, шаровым индентором с последующим его вращением относительно оси симметрии, перпендикулярной к плоскости образцов, и измерением диаметра отпечатка индентора на образцах и силы, необходимой для вращения индентора /1/.

Недостатком данного способа является то, что не определяются значения нормальной нагрузки на образцы и время ее приложения, соответствующие упругим деформациям в материале, на который нанесена пленка, и пластическим деформациям в месте контакта индентора с пленкой.

Также не определяется момент перехода упругих деформаций в зоне контакта индентора с подложкой в упруго-пластические, что затрудняет точное перемещение индентора до границы раздела "пленка мягкого материала - подложка твердого материала", и соответственно измерение тангенциальной адгезионной прочности покрытия с достаточной точностью.

Цель предлагаемого изобретения - повышение качества определения тангенциальной адгезионной прочности покрытий, нанесенных фрикционно-механическим способом на поверхность одной из деталей пары трения, работающих в условиях граничной смазки.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного способа определения прочности адгезионной связи на срез, заключающегося в деформации покрытий в виде пленок материалов, нанесенных на поверхность образцов, материалы которых имеют твердость, отличную от твердости материалов пленок, путем перемещения шарового индентора с последующим его вращением относительно оси симметрии, перпендикулярной плоскости образцов, и измерении силы вращения шарового индентора и диаметра отпечатка на образцах, по которым определяют тангенциальную прочность, отличающийся тем, что перемещение шарового индентора производят до пересечения границы раздела "покрытие - подложка", что обеспечивает срезание шероховатостями индентора, при его вращении, соединений на границе раздела.

Внешнее трение твердых тел обусловлено, с одной стороны, деформированием тонких поверхностных слоев одного из тел внедрившимися неровностями, с другой - срезанием соединений, возникающих на поверхности раздела двух тел в точках фактического контакта /2/.

Коэффициент трения определяется по формуле:
f - f_адг + f_деф (1)
где f_деф - деформационная составляющая коэффициента трения;
f_адг - адгезионная составляющая коэффициента трения.

Адгезионная составляющая равна:
f_адг= τ_п/p_r (2)
где τ_п - прочность на срез адгезионных соединений на поверхности раздела, МПа;
p_r - фактическое давление на контакте, МПа.

При определении τ_п необходимо учитывать, чтобы напряженное состояние в зоне контакта в лабораторных условиях максимально приближалось к напряженному состоянию в реальных условиях.

Существующие методы /3, 4/, в основном, служат для определения нормальной адгезии. Эти результаты нельзя применить к процессу внешнего трения, т.к. нормальная адгезия определяется после снятия нагрузки, что связано с погрешностями, возникающими вследствие частичного упругого восстановления контактирующих микронеровностей и разрыва образованных под нагрузкой упругих соединений. Кроме того, в известных методах определяется прочность на разрыв соединений, в то время как при трении происходит срез соединений под нагрузкой. При срезе под нагрузкой согласно /2/ прочность на срез будет зависеть от величины нормальных напряжений и определяться по формуле:
τ_п= τ_o+β_p (3)
где τ_o - прочность на срез адгезионной связи при отсутствии нормального давления, МПа;
β_p - коэффициент, характеризующий увеличение прочности на срез нормального давления.

Если при скольжении двух твердых тел исключить деформационную составляющую, то можно определить прочность адгезионной связи на срез. При этом важно, чтобы напряженное состояние в зоне контакта приближалось к напряженному состоянию в точках фактического контакта при трении твердых тел. Данные требования будут выполняться, если шаровым индентором сделать лунку в некотором материале и заставить его вращаться под нагрузкой вокруг вертикальной оси в лунке.

На основании этого принципа И.В.Крагельским впервые предложена методика и сконструирована установка для определения тангенциальной прочности адгезионной связи /1/.

Исследования проводились на стандартной установке, схема которой приведена на фиг. 1.

Между образцами 1 (см. фиг. 1), имеющими большой радиус скругления, выполненными из чугуна, сжимали шаровой индентор 3 радиусом R = 5 мм.

Сферический индентор закрепляется в специальной дисковой обойме 4, имеющей круговой паз, в который наматывается тросик 5, один конец которого прикреплен к тензобалочке 6 с датчиками 9, регистрирующей усилия вращения шарика. С помощью осциллографа 8 мод. "НOO8М", тензоусилителя 7 мод. "ТА - 5" записываются осциллограммы. При измерении усилий балочка 6 передвигается вдоль направляющих 10 с помощью тросика, который наматывается на вал 11 редуктора 12, связанного с синхронным двигателем 13.

Сравнительным испытаниям подвергались две партии образцов с покрытиями, нанесенными способами, указанными в /5, 6, 7/.

Нормальная нагрузка на образцы подбиралась таким образом, чтобы в зоне касания индентора с подножкой из чугуна были упругие деформации, в месте контакта с покрытием из сплава меди - пластические.

Прочность на срез адгезионных соединений может быть рассчитана по схеме, показанной на фиг.2.

В первом приближении полагаем, что нормальные напряжения, действующие на поверхности сферы, постоянны и равны в области всего отпечатка.

Элементарный момент трения (см. фиг.2) равен:
dM = τ_п•r•dS (4)
Выражая r из ds через полярное расстояние, долготу и радиус сферы, получили в сферических координатах:
dM = τ_п•R³•sin²θdθdϕ (5)
откуда в силу симметрии:

Из этого выражения определяется тангенциальная прочность адгезионной связи, (τ_п):
τ_п= M/(π•R³•(θ-(sin2θ)/2) (8)
Пренебрегая величинами 3-го и выше порядка малости, получим:
τ_п= 3/2•M/(2π•(R•θ)³) (9)
С другой стороны
M = F_экс • R_экс (10)
где F_экс - экспериментально определяемое усилие для поворота индентора, Н;
R_экс - радиус оправки, м.

Тогда из (9) и (10) получим:
τ_п= 3/2•(F_экс•R_экс)/(π•(R•θ)³) (11)
В силу того, что сфера сжата двумя образцами, имеем:
τ_п= 3/4•(F_экс•R_экс)/(π•(R•θ)³) (12)
Так как θ = r_л/R (см. фиг. 2) уравнение (12) примет вид:
τ_п= 3/4•(F_экс•R_экс)/(π•r3л

Проведение испытаний по определению тангенциальной прочности адгезионной связи осуществляем по следующей методике.

Первоначально в качестве образцов испытанию подвергаются образцы из чугуна, имеющие параметр шероховатости шейки коленчатого вала перед ее финишной антифрикционной безабразивной обработкой в адгезионной среде (ФАБО в АС) /7/ (Ra = 0,32 мкм) и радиус кривизны R ---> ∞.

1. После того, как испытываемые образцы установлены в образца-держателях 2 установки (фиг. 1), приводят в соприкосновение образцы и шаровой индентор из стали ШХ 15 ГОСТ 801 - 78.

2. При этом шаровой индентор с помощью специальных направляющих устанавливается таким образом, чтобы линия приложения нагрузки проходила через его геометрический центр.

3. Приводят в соприкосновение образцы и шаровой индентор и отмечают нулевое положение на индикаторе 28 (фиг. 1), измеряющем глубину внедрения. При проведении испытаний применялся индикатор многооборотный 1МИГ с ценой деления 0,001 мм ГОСТ 18833 - 73.

4. Прикладывают нагрузку и выдерживают контактирующие тела под нагрузкой в течение определенного времени. Увеличение нагрузки производят до момента начала перемещения стрелки индикатора, что соответствует моменту перехода упругих деформаций в зоне контакта в упруго-пластические. Значение нагрузки фиксируется. Испытаниями установлено, что нагрузка на индентор составила F = 2500 Н, время выдержки - 30 сек.

5. После этого на образцы наносят трибопокрытия 15 толщиной h~5 мкм (см. фиг. 2) и помещают образцы в образца-держатели установки. Приводят в соприкосновение образцы и шаровой индентор и прикладывают нагрузку. Значение нагрузки и время ее приложения принимается из проведенных ранее испытаний (п. 4). При этом перемещение шарового индентора производят до пересечения границы раздела "покрытие, например из сплава меди 15 (фиг.2) - подложка 16 (фиг. 2)".

При этом предварительно определенное значение нагрузки будет соответствовать пластическим деформациям в самом трибопокрытии и упругим деформациям в подложке из чугуна.

6. Затем производят измерение диаметра отпечатка с помощью малого инструментального микроскопа ММИ ГОСТ 8074 - 82.

Измерение диаметра лунки производят в нескольких взаимо-перпендикулярных направлениях.

7. После приложения нормальной нагрузки, измерения радиуса лунки определяют силу, необходимую для поворота индентора, обусловленную срезанием шероховатостями индентора, при его вращении, соединений (зоны срезания 17, фиг. 2) на границе раздела "покрытие, например из сплава меди - подложка из чугуна".

Для обеспечения однородности физико-механических свойств образцов они изготавливались из одной партии материала.

Геометрическая форма инденторов выдерживалась с точностью ± 0,0015 мм, что достигалось обработкой на оптико-шлифовальном станке мод.395М.

Результаты исследований тангенциальной прочности адгезионной связи антифрикционных покрытий, полученных способами, указанными в работах /5, 6, 7/ представлены в табл. 1.

8. Применение предлагаемого способа по сравнению с известным позволит повысить качество определения тангенциальной адгезионной прочности покрытий, нанесенных фрикционно-механическим способом, за счет перемещения шарового индентора до пересечения границы раздела "покрытие, например из сплава меди - подложка из чугуна".

Способ предназначен для использования при исследовании антифрикционных покрытий, нанесенных на чугунные поверхности, работающие в условиях граничной смазки. Деформируют покрытие в виде пленок, нанесенных на поверхность образцов, путем перемещения шарового индентора с последующим его вращением. Материалы образцов имеют твердость, отличную от твердости материалов пленок. Индентор вращают относительно оси симметрии, перпендикулярной плоскости образцов. Измеряют силу вращения индентора и диаметр отпечатка на образце. Перемещение шарового индентора производят до пересечения границы раздела "покрытие-подложка", что обеспечивает срезание шероховатостями индентора, при его вращении, соединений на границе "покрытие-подложка", повышается качество определения тангенциальной адгезионной прочности покрытий, нанесенных фрикционно-механическим способом на поверхность одной из деталей пары трения, работающих в условиях граничной смазки. 2 ил., 1 табл.

Способ определения тангенциальной прочности адгезионной связи покрытий, заключающийся в деформации покрытий в виде пленок материалов, нанесенных на поверхность образцов, материалы которых имеют твердость, отличную от твердости материалов пленок, путем перемещения шарового индентора с последующим его вращением относительно оси симметрии, перпендикулярной плоскости образцов, и измерении силы вращения шарового индентора и диаметра отпечатка на образцах, по которым определяют тангенциальную прочность, отличающийся тем, что перемещение шарового индентора производят до пересечения границы раздела "покрытие-подложка".