№ 12 (162) (2024)

Представлены результаты экспериментальных исследований деформации и диффузии в поверхностных слоях металлических пар трения, составляющие экспериментально-теоретическую основу материаловедческого подхода к оценке смазочных сред. Сформулированы представления о роли составляющих смазочной среды в реализации пластифицирующего и упрочняющего трибоэффекта. Описаны характеристики структурного состояния поверхностных слоев медных сплавов при трении по стали в режиме граничной смазки в поверхностно-активных смазочных средах. Установлены условия достижения минимальных энергосиловых потерь таких трибосистем на трение и износ. Наибольший ресурс работы трибосопряжения в смазочной среде, содержащей поверхностно-активных веществ, достигается в результате роста износостойкости медного сплава при относительном снижении твердости и повышении пластичности его поверхностного слоя. При этом снижение твердости, обусловленное пластифицирующим действием поверхностно-активных веществ, происходит только в приповерхностном деформированном слое трибоматериала; в его более глубоких слоях, не пластифицированных действием смазочной среды, механические характеристики антифрикционного сплава остаются на требуемом высоком уровне. Показано, что этим требованиям отвечают сплавы с однофазной структурой α-твердого раствора и широким концентрационным интервалом растворимости легирующего элемента в твердом состоянии. Обнаружено, что такие граничные условия обеспечиваются наличием в зоне контактной деформации поликомпонентного трибоматериала стационарных макроскопических диффузионных потоков легирующих элементов. Указана роль локальных диффузионных явлений в квазиспинодальных фазовых переходах. Приведены примеры реализации явления избирательного переноса при трении в промышленных смазочных материалах.

Приведены результаты исследований по взаимодействию горячего пористого каркаса из карбида титана, полученного в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с расплавом медь-титан. Исследования проводились на образцах двух видов: без предварительного нагрева и с предварительным нагревом перед синтезом в печи до температуры 300 ºC. Образцы представляли собой плоские спрессованные таблетки, состоящие из двух разных по составу слоев. Нижним слоем была шихта из Ti и C, а верхним слоем смесь из Ti и Cu. Процесс синтеза образцов проводился на воздухе. После прохождения реакции в нижнем слое образцов и образования пористого каркаса из карбида титана, в обоих образцах верхний слой расплавлялся и без остатка впитывался в нижний слой. Рентгенофазовый анализ центральной части образца показал наличие трех фаз – TiC, Cu и Cu3Ti. Установлено, что полученный композит представлял собой пористый каркас из TiC, пропитанный сплавом меди и титана. Зёрна карбида титана имели в большей степени нестехиометрический состав и представляли собой многогранные частицы среднего размера 20 мкм, а также частицы стехиометрического состава размером не более 10 мкм. На поверхности частиц TiC, в виде тонкой пленки на отдельных участках был обнаружен интерметаллид. Кроме этого, было установлено, что предварительное нагревание исходного образца в печи до 300 ºC перед синтезом позволяет повысить содержание стехиометрического карбида титана в полученном кермете.

В работе рассматривается разработанные авторами математическая и численная модели изнашивания эластомерных материалов при стационарном качении с проскальзываем. При разработке математической модели были использованы классические представления о кинематических характеристиках качения массивной эластомерной шины по абразивной поверхности диска. Для описания интенсивности изнашивания в модели использованы представления о износе сформулированные Д. Арчардом и модифицированные применительно к исследуемым объектам – резинам на основе каучуков СКИ-3 и СКС-30-АРКМ-15, армированных углеродными наноструктурами. Численная реализация математической модели выполнена в программном комплексе Matlab. С целью упрощения численного расчета было принято решение о переходе модели качения с проскальзыванием к модели о чистом скольжении. Выбор шага интегрирования по времени позволил стабилизировать неустойчивость решения. Таким образом в численной модели рассматривалось скольжение эластомерного цилиндра по абразивной поверхности диска со скоростью, равной скорости проскальзывания и варьированием нормальной нагрузки. В качестве численного метода расчета использован метод конечных элементов (МКЭ). При фиксированной глубине вдавливания проведена верификация разработанной модели. По результатам моделирования получены зависимости интенсивности изнашивания эластомерного материала от величины удельных давлений. Сравнительный анализ результатов моделирования и данных, полученных экспериментальным путем, позволил установить из разницу на уровне 20 процентов, что может быть связано с ограничениями модели, которая не учитывает тепловые характеристики материалов. Таким образом разработанная модель показала свою состоятельность и в дальнейшем будет доработана с учетом выявленных ограничений.

Повышение долговечности деталей пар трения скольжения не может постоянно осуществляться за счет применения более дорогостоящих конструкционных материалов или, тем более, за счет использования специальных покрытий, получаемых с применением энергии плазмы или вакуумных технологий. Известно, что сокращение периода приработки способно значительно увеличить ресурс поверхности и, кроме того, обеспечить более стабильный режим эксплуатации на этапе основного периода службы изделия, обусловленного конкретными условиями и режимами эксплуатации. Многочисленные попытки технологически обеспечить параметры шероховатости поверхности, соответствующие параметрам шероховатости, сформированной в период нормального износа, часто не приводили к желаемым результатам. Как показали дальнейшие исследования в этом направлении, время периода приработки затрачивается на формирование структуры поверхностного слоя под воздействием заданных нагрузок, скоростей относительного скольжения, исходных зазоров, марок смазок и т. д. А установившиеся параметры шероховатости стабилизируются только на характерной для данной пары субструктуры. В представленной статье сделана попытка из имеющегося разнообразия описания структурных параметров поверхностного слоя деталей использовать только размер зерна стальных поверхностей. В пользу этого решения говорит и тот факт, что параметр регламентирован ГОСТ 5639-82, и имеется апробированная методика его определения соответствующими аппаратными средствами. Теоретически и экспериментально удалось, ориентируясь на размер зерна трибоповерхности, показать возможность сокращения периода приработки условиями технологического воздействия на трибоповерхность.