Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из наиболее перспективных путей повышения трибологических характеристик материалов и смазочных сред является еозмонность управления составом и структурным состоянием поверхности, формируемой при трении с образованием оптимальных вторичных структур [ВС]. Зтот подход требует применения современных метопов локального структурно-химического анализа поверхностных слоев. Среди методов локального анализа поверхности наибольшее развитие получил Ose-микроанализ благодаря его уникальным аналитическим возможностям. Однако, для его эффективного использования в изучении ВС требуется разработка специальных методик, которые бы обеспечили возможность трехмерного анализа ВС, определения химической связи элементов, принимающих участие в формировании ВС, на основе систематических исследований тонкой структуры спектров Оже-электронов.
В настоящее время наиболее исследованы проблемы ВС, Ьормируемых на металлических материалах в присутствии электроотрицательных элементов, таких как кислород, сера, хлор, ftocibop и других, содержащихся в рабочих и газовых средах.
Не менее универсально действие углерода. Это связано как с его наличием во многих металлических и керамических материалах, гак и с деструкцией углеводородных смазочных сред и применением специальных добавок, являющихся основой при трибосинтезе грайито-алмазных пленок. Поэтому, систематическое исследование роли углерода в формировании ВС и поверхностей раздела исключительно актуально.
Перспективы применения керамики, обладающей комплексом уникальных свойств ( высокая прочность при малой плотности, высокая износо-,. коррозионная и особенно жаростойкость для создания особо термонагруженных узлов трения в отсутствии смазки или с ее-, ограниченной подачей в зону трения) также вызвало необходимость систематических исследований ВС на поверхности трения керамики и сопряженных материалов. В отличии от исследований ВС, образованных при трении металл - металл и керамика по керамике (хоть и в значительно меньшей степени), изучению ВС, образованных при трении металл - керамика посвящено значительно меньшее количество работ.
Цель и задачи исследований.
Целью настоящей работы являлось экспериментальное
исследование процессов йормирования ВС на поверхности
керамических и металлических материалов при трении в возлушной и
углеролсопержащей срепах на основе разработки специальной
комплексной методики Оже-микроанализа.
В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи
I.Разработать комплексную методику Оке-микроанализа для изучения образуемых при трении ВС.
2.Изучить процессы формирования ВС и роль в них активных химических элементов, в частности, углерода, при трении в системах металл-керамика в воздушной и металл-металл в углеролсопержащей срепах.
3.Исследовать возможности управления процессами образования ВС для повышения износостойкости сопряженных узлов трения.
Научная новизна.
Разработана комплексная метопика трехмерного анализа слоев ВС и .приповерхностных границ разпела, предполагающая . использование, фрактографического анализа изнашиваемой поверхности и излома образцов.
Установлены закономерности формирования ВС, процессов массопереноса на поверхности и приповерхностных слоях, а также перераспределение химических элементов в обЪене материала при трении керамико-металлических пар при различных характеристиках твердости, состава и нагрузочно-скоростных режимах испытаний.
Впервые установлено образование многоуровневых ВС, в том числе приповерхностных границ разпела на керамике ВдС и стального контртела. \При высокоскоростном трении, в частности, на стали образуется пвухуровневая приповерхностная граница раздела. Опнако, это реализовывалось только при наличии мощного источника углеропа, роль которого в данном случае играет материал керамики.
Установлено, что углерод играет определяющую роль в процессах образования приповерхностной границы раздела. Вынос углерода сопровождается процессом графитизации, что обеспечиБЕет ослабление связи слоев ВС - основа материала и, как следствие, локализацию разрушения в тонких поверхностных слоях. Это явление характерно не только при реализации окислительного изнашивания на ' сталях, но и на керамике В^С, вступающей в интенсивное химическое
взаимопеиствие с химическими элементами, вхолящими в состав стали и среды.
Показано, что использование сталей с низкими и срепними значениями тверпости (икс- 30...40) в качестве контртела при .трении с нитрипной керамикой сопровождается интенсивным микрорезанием стали, а также развитием процессов трещинообразования на большую глубину. Применение твердых сталей (HRC - 60) обеспечивает нормальный (окислительный) износ стали за счет образования приповерхностной граФитизированной границы раздела. Вклад микрорезания в механизм изнашивания контртела при этом невелик.
Предложена модель- образования приповерхностной границы раздела, обогащенной углеродом, основанная на рассмотрении пвух взаимодополняющих механизмов. В первом, происходит оттеснение углерода от поверхности вглубь Фронтом образующейся оксидной фазы, в которой растворимость углерода предельно низка. Во втором случае, происходит транспорт углерода на границу раздела из обЪема материала за счет комплекса Физико-химических процессов, в том числе, термодиффузии.
Показано, что при трении металлических материалов в углеролсолержащей среде образуются ультрадисперсные гетероФазные углеродные структуры.
Практическое значение работы.
Использование разработанного метопа комплексного трехмерного анализа, а также изучение общих закономерностей Формирования ВС и приповерхностных границ раздела привело к решению ряда задач, имеющих прикладное значение, в том числе:
Внепрен и защищен А.С. СССР способ управления приработочными свойствами ВС для керамических антифрикционных элементов.
Получены необходимые данные з-разработке композиционного материала для подшипников скольжения, используемых в долотах типа ГАУ-40. Внедрение результатов дало в 1987 году экономический эффект (долевое участие автора) в размере 256,6 тыс. руб.
Определены основные физико-химические процессы Формирования ВС, определяющих износ, для керамико-металлических пар, пригодных к использованию в качестве материалов триботехнического назначения.
Составлен атлас спектров Оже-электронов углерода, от алмазов, полученных по нетрадиционным технологиям.
Научные положения, защищаемые автором диссертации: I.Экспериментальные закономерности и особенности механизме образования ВС и приповерхностных границ раздела при трені керамико-металлических пар на возпухе и гетерофазных углеропнь структур при трении металлов в среае високодисперсного углеропа. 2.Явление образования многоуровневых ВС при трении на воздух керамики со сталью при различных скоростях скольжения. 3.Возможность и метоп управления трибологическими свойствами В при трении керамико-металлических пар.
4.Обобщение результатов анализа алмазов, полученных различным: методами, в виде атласа эталонных спектров Оае-злектроної углерода.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались и обсуждались на : Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня производства металлов и сплавов", (г.Донецк 198? г.), Всесоюзной школе-семинаре "Новые порошковые материалы и технологии в машиностроении", (г.Одесса, 1988 г.), Всесоюзной научно-технической конференции по разработке и ускорении промышленного внедрения прогрессивных материалов и устройств, (г.Севастополь, 1988 г.), Всесоюзной конференции "Триботехника и надежность инструментальных и конструкционных материалов", (г.Киев, 1989 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов", (г.Киев, 1990 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Актуальные вопросы материаловедения", (г.Славско, 1991 г.>. \
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах.
Структура и обЪем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих вывопоч, списка литературы ( 98 наименований), прилокения, содержит 151 страницу машинописного текста, 14 таблиц, 41 рисунок. Общий обЪем -165 страниц.
