Результат интеллектуальной деятельности: Способ оценки износостойкости керамических материалов по изменению параметра шероховатости R

Изобретение относится к области трибологии, в частности к экспресс-оценке износостойкости конструкционных высокотвердых керамических материалов, работающих в паре с металлом.

При конструировании узлов трения современных машин и механизмов часто для эксплуатации рассматриваются разнообразные износостойкие материалы. К числу таких материалов относятся тугоплавкие неорганические материалы, керамики и композиты на их основе. Оценка износостойкости высокотвердых материалов требует особого подхода.

При испытании керамик на износостойкость в парах трения с конструкционными сталями на стандартных машинах трения при реальных нагрузках и скоростях за приемлемое экспериментальное время (часы, сутки) не наблюдаются какие-либо результаты изменения размеров или массы материала, так как часто величина изменений лежит за пределами возможностей стандартных измерительных приборов.

В большинстве случаев при сравнении износостойкости керамических материалов, для того чтобы получить измеряемый результат износа, стальное контртело заменяют на абразивный материал. Например, известен способ RU 2373520 определения относительной износостойкости материала упрочненного слоя. Согласно способу, изготавливают образец путем приработки обеих его торцевых поверхностей и формируют на одной из поверхностей упрочненный слой. Образец изнашивают путем истирания по абразивной поверхности на величину, не превышающую толщину упрочненного слоя. Измеряют линейные размеры образца после приработки и после изнашивания. Поворачивают образец на 180° и изнашивают эталонный материал. Определяют остаточный линейный размер образца и рассчитывают относительную износостойкость. Однако данный способ длительный, трудоемкий и не дает возможности достаточно быстро получить действительные значения износа керамических материалов.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ RU 2433384 С2, G01N 3/56, выбранный в качестве прототипа. Согласно способу, образец конической, пирамидальной или призматической формы осуществляет трение о плоскую поверхность при постоянной нормальной нагрузке и скорости скольжения. Износостойкость определяется на основании временной зависимости линейного износа и номинального нормального давления, на основании которых вычисляют эмпирическую зависимость интенсивности изнашивания как функции номинального нормального давления в виде I=K⋅q^p, где I - интенсивность линейного изнашивания, q - номинальное нормальное давление, K, p - постоянные, зависящие от материала пары трения и условий контактного взаимодействия. Недостатком указанного способа является требование к определенному размеру и форме керамик, что значительно усложняет изготовление испытательных образцов, так как современные износостойкие материалы плохо обрабатываются, хрупки, имеют высокую стоимость. Износ высокотвердого керамического материала также может занимать продолжительное время.

Технический результат изобретения заключается в определении изношенного микрообъема керамики при непродолжительном трении по изменению параметра шероховатости R_t, что можно использовать при оценке износостойкости выборок керамик на уровне «лучше-хуже» для пар трения.

Технический результат достигается следующим образом. Известно, что взаимодействие и износ двух шероховатых тел происходит на пятнах фактического контакта - выступающих шероховатостях обоих контртел. Шероховатость поверхности определяют по профилограмме.

При плоском трении пары «стальной вращающийся торец стержня - керамический материал» поверхность керамики изнашивается и, одновременно, покрывается тонким слоем металла. Поэтому для оценки износа подходят далеко не все параметры шероховатости. Параметр R_t, определяемый как сумма величин максимального выступа профиля и максимальной впадины, отсчитанных от средней линии профиля, является экстремальным, единственным на профилограмме. При этом параметр R_t не зависит от положений средней линии. Другие параметры профилограммы R_a и R_z зависят от положения средней линии и подсчитываются на основе определенной статистики.

Тонкая пленка металла существенно уменьшает значения параметров R_a и R_z, замазывая мелкие впадины, в то время как параметр R_t меняется незначительно, так как глубокая шероховатость меняет конфигурацию, но не глубину. Схема возможного изменения профиля поверхности керамики показана на рисунке 1.

Трение проводится в течение 10-30 секунд, при линейной скорости скольжения стального стержня по керамике 0,2-1 м/с и небольшой нагрузке на керамику в диапазоне 5-20 Н. Износ может быть определен как разница ΔR_t между величинами R_t на профилограммах до и после трения. Чтобы исключить возможность истирания глубокой шероховатости при непродолжительном трении, до осуществления взаимодействия в зоне контакта на поверхности керамики перпендикулярно линии профиля, определяемой профилометром, тонкой иглой проводится прямолинейная риска («засечка»), рисунок 2. Образующаяся в зоне пересечения линии профиля и «засечки» глубокая шероховатость выступает как нулевая точка отсчета.

Для того чтобы воспользоваться предложенным изобретением, необходимо иметь не очень гладкую исходную поверхность, иначе исходное значение R_t будет очень мало и поверхностный слой сотрется очень быстро. Поэтому взаимодействующие поверхности пары трения «керамика-металл» должны соответствовать 7-9 классу шероховатости.

Профилограмма может быть перестроена как амплитудная зависимость выступов, отсчитанных от дна самой глубокой впадины. Эта зависимость носит в отечественной литературе название «опорной кривой», а в зарубежной - кривой Аббота-Файрстоуна. На рисунке 3 показана условная профилограмма поверхности керамического материала и ее перестроение в «опорную кривую».

В настоящей работе начальный участок опорной кривой аппроксимируется двумя прямыми 1 и 2, как показано на рисунке 3. Точка пересечения этих прямых дает оценку доли самых выступающих шероховатостей α в линейном масштабе профиля. Соответственно, в масштабе поверхности, относительная фактическая поверхность контакта будет составлять α².

Таким образом, с учетом площади поверхности S, на которой происходил контакт с металлом, объем изношенного керамического материала может быть определен по следующей формуле:

Пример

Произведена оценка износостойкости алюмооксидных керамик по изменению параметра шероховатости R_t, изготовленных по различным технологическим режимам 1, 2, 3. Способ оценки включал контактное взаимодействие плоского торца вращающегося стержня диаметром 2 мм из стали по плоским неподвижно закрепленным алюмооксидным керамическим материалам. Взаимодействующие плоские поверхности соответствовали 7-9 классу шероховатости. Непродолжительное сухое трение осуществлялось в течение 10 секунд под нагрузкой 9 Н и линейной скоростью скольжения стального контртела 0,5 м/с. До осуществления трения на поверхности керамик в зоне контакта на длине 2 мм определялся профиль, строились профилограммы и диаграммы Аббота-Файрстоуна, по которым рассчитывался вклад в трение доли наиболее выступающих шероховатостей α, относительно линейного профиля. После трения строились аналогичные профилограммы и рассчитывалось изменение параметра шероховатости ΔR_t. Определялась площадь фактического пятна контакта S. Затем по формуле (1) рассчитывался изношенный микрообъем V_m керамического материала.

Для сравнения, проводились более «жесткие» трибологические испытания алюмооксидных керамических материалов, изготовленных по различным технологическим режимам 1, 2, 3 по методу измерения массового износа. В испытаниях использовалась трибологическая схема неподвижный «палец» (исследуемая керамика) - подвижный диск (абразив). Способ заключался в следующем: вертикальная нагрузка исследуемых образцов керамик на абразив составляла 18 Н. Трение проводилось в течение одного и того же интервала времени для всех керамик - 30 с. Путь трения в каждом опыте составлял 270 м. Для каждого материала проведено по 10 испытаний, результаты усреднены. Трение проводилось по абразивному диску на основе корунда, средний размер зерна абразива - 500 мкм. Вращение диска осуществлялось со скоростью 3000 оборотов в минуту. Массовый износ (Δm) определялся на аналитических весах. Полученные результаты определения изношенного микрообъема по изменению параметра шероховатости от пути трения (ΔV_m/L) совпадают с данными по массовому износу от пути трения (Δm/L), таблица 1.