Анализ влияния ориентации шероховатости поверхностей, дошедших обработку в электролитной плазме, на их фрикционное взаимодействие

При формировании гладких поверхностей и проектировании их контакта следует учитывать даже самые тонкие особенности строения микро- и нанорельефа, которые оказываются важными при эксплуатации прецизионных подвижных контактных сопряжений [56-60]. Одной из характеристик микрорельефа, которая не в должной мере используется в управлении фрикционным поведением контакта, является анизотропия микровыступов и их ориентация относительно направления взаимного скольжения поверхностей.

При трении скольжения максимальное «пропахивающее» воздействие (пластическое деформирование, микрорезание) оказывает та часть микровыступов (площадь граней выступов – А), которые внедряются в материал контрповерхности и ориентированы поперек встречного перемещения поверхностей.

Определив удельную суммарную площадь таких граней, можно осуществить оценку деформационной составляющей силы трения F_d:

где – напряжение текучести, или удельные силы микрорезания и силы «пропахивания».

Определить площадь граней ориентированных в определенном направлении можно применив оригинальную методику анализа пространственных изображений рельефа разработанную в ИММС НАНБ [61-64] и реализованную в виде компьютерной программы «Surface Soft». Алгоритм расчета площади сводится к компьютерному моделированию эффекта подсветки для анализируемого изображения в направлении, противоположном направлению скольжения и последующему вычислению суммарной площади А, состоящей из элементарных площадок изображения, которые имеют наибольшую интенсивность «освещения».

Изучение микроструктуры и шероховатости исследуемых поверхностей с помощью атомно-силовой микроскопии показали, что микровыступы поверхностей имеют определенную пространственную ориентацию. Поэтому можно предположить, что направление скольжения контакта по отношению к азимутальной ориентации шероховатости оказывает влияние на силу трения и интенсивность изнашивания. Для оценки данного влияния рассматривался плоскопараллельный образец из стали 08кп прошедший электролитно-плазменную обработку. Поле сканирования составляло 20 × 20 мкм, а максимальная высота микронеровностей– 2,4 мкм. Можно утверждать, что поверхность образца состоит из сдельных блоков с характерным размером в несколько десятков микрометров. Выходящие на поверхность блоки имеют шероховатость нанометрового масштаба. Границы блоков могут представлять выходящие на поверхность ребра с острой кромкой, которая, безусловно, может оказывать абразивное действие при трении поверхностей.

Угловой анализ рельефа полированной поверхности (рис. 4.11) показал, что на участке (20 × 20) мкм (рис. 4.14 а, б) средний угол наклона составляет 16,0° ± 0,12°, наиболее вероятный – 10,6° ± 0,12°. Наблюдается преобладающее направление в ориентации шероховатости (165,0°). Коэффициент анизотропии шероховатости, который вычисляется как отношение максимальной оси ориентационной диаграммы к минимальной, составляет 1,8.

Рис. 4.11– Анализ углов наклона и ориентации микрорельефа: а), б) участок 20×20 мкм; в), г) участок 4×4 мкм.

Ориентационный характер шероховатости в пределах отдельных полированных блоков материала, выходящих на поверхность существенно различается. Так далее мы будем анализировать участок «А», выбранный в пределах одного блока. Размер данного участка поверхности составляет (4×4) мкм (рис. 4.11, в). Угловой анализ рельефа в пределах участка «А» (рис. 4.11, г) показал, что средний угол наклона составляет 10,9° ± 0,12°, наиболее вероятный – 5,4° ± 0,12°. Характер анизотропии шероховатости для участка с поверхности блока материала более выражен: преобладающее направление составляет 195,0° ± 0,12°, коэффициент анизотропии – 4,5. Среднеквадратическая высота шероховатости для рассматриваемого участка – 55,7 нм.

Для дальнейшего анализа контактного взаимодействия рассматриваемого участка поверхности выделены вершины выступов, которые будут внедряться в более мягкий материал контртела при контактировании материалов и оказывать деформирующее (абразивное) действие на сопрягаемую поверхность, а в результате определять деформационную составляющую силы трения.

При анализе деформационной составляющей силы трения предполагалось, что данный участок поверхности скользит по «мягкому» образцу с полным внедрением «жестких» неровностей в «мягкий» материал. Эта ситуация отражает предельно возможную величину деформационной составляющей силы трения и позволяет оценить деформационные (абразивные) свойства рельефа.

Для АСМ-изображения подготовленного для анализа проводилось компьютерное моделирование эффекта «подсвечивания» в направлении, противоположном направлению предполагаемого скольжения. «Поток света», направленный под малым углом к плоскости изображения выделял склоны выступов, оказывающие деформирующее воздействие при скольжении в выбранном направлении.

Рассматривался комплекс направлений скольжения, которые изменялись по круговой диаграмме с периодом 45°. При этом для каждого направления «высвечивались» грани, оказывающие сопротивление при скольжении в данном направлении, а также вычислялась суммарная площадь этих граней А.

На рис. 4.12 показаны изображения граней рельефа (выделены черным цветом), формирующие деформационную составляющую трения в зависимости от направления скольжения. На рис. 4.13 отражены результаты количественного анализа ориентационной зависимости микродеформационной составляющей силы трения, где в процентном отношении показана площадь микровыступов, участвующих в процессе трения, к номинальной площади контактирующего участка.

Рис. 4.12– Изображение граней рельефа формирующих деформационную составляющую трения в зависимости от направления скольжения

Рис. 4.13– Результаты количественного анализа ориентационной зависимости микродеформационной составляющей силы трения

Результаты количественного анализа показывают, что минимальный износ поверхности будет происходить в направлении, где количество микровыступов, участвующих процессе трения минимально (24,7%), а максимальный – при 28,6%.

На данном примере подтверждается важность ориентационных свойств топографии поверхности при выборе направления скольжения, деформационнаясоставляющая силы трения различается на 20 % в зависимостиот направления скольжения.

Для уменьшения износа трущихся пар, находящихся в механическом и электромеханическом контакте, также важно знать ориентацию неровностей рельефа поверхности относительно некоторого заданного направления. Выбор оптимального направления скольжения обеспечивает уменьшение износа. В нашем случае для материалов, обработанных в электролитной плазме, наименьшая величина износа поверхности наблюдается при расположении детали в трущейся паре таким образом, что направление ее скольжения перпендикулярно направлению движения детали при полировании.

Выводы

1. Разработанный оптимальный раствор для полирования углеродистых сталей в электролитной плазме приготавливается из доступных компонентов и обеспечивает уменьшение в 2 – 3 раза степени шероховатости и объемного износа поверхности.

2. Импульсное возбуждение плазмы в электролите расширяет технологические возможности метода полирования металлических поверхностей деталей за счет дозированной подачи энергии и управления качественными характеристиками посредством варьирования параметров импульсного тока, а также снижает энергопотребление и время обработки.

3. Установлены закономерности изменения физико-механических свойств и микропрофиля поверхностей металлов в зависимости от особенностей электролитно-плазменной обработки. Показана возможность поучения поверхностей с шероховатостью R_a 0,1...0,2 для углеродистых сталей и 0,2...0,3 – для латуни при этом в 2 - 3 раза уменьшается величина объемного износа.

4. Показано, что при использовании обработанных поверхностей в режиме трущихся пар важную роль играет ориентация неровностей рельефа поверхности относительно заданного направления. Выбор оптимального направления скольжения обеспечивает уменьшение деформационной составляющей силы трения до 20% и, следовательно, величины износа поверхности.

5. Однако, надо иметь в виду, что при ЭПО происходит заметный съем металла, закругляются режущие кромки, имеются трудности при обработке изделий сложной формы.