V. Zozulia, D. Isakov (XADO, Ukrajna)

Z. Kolupaieva, A.Pugachev, S.Syrovitskii (NTU KhPI, Ukrajna)

A SÚRLÓDÁSI FELÜLET SZERKEZETÉNEK, FESZÜLTSÉGI ÁLLAPOTÁNAK ÉS MIKROSZKÓPIKUS KEMÉNYSÉGÉNEK ALAKULÁSA REVITALIZANT™ TARTALMÚ KENŐANYAGOK HASZNÁLATAKOR.

A cikk ismerteti egy görgős támcsapágy súrlódási felülete állapotának alakulását Revitalizant™ tartalmú kenőanyaggal való működés során.Röntgen diffraktometriával, elektron-mikroszkópiával és mikroszkópikus keménységvizsgálattal tanulmányoztuk a súrlódási felület szerkezetét, feszültségi állapotát és mechanikai tulajdonságait.A makrofeszültség tangenciális és radiális komponenseinek a görgőpályán mért értékeit sin2ψ módszerrel határoztuk meg.A vizsgálati eredményeket tárgyaltuk a csapágy ciklusainak (működési periódusainak) függvényében, rögzített terhelés mellett.

Időszerűség és célkitűzés

Szerelvények és mechanizmusok súrlódó alkatrészei élettartamának meghosszabbítása érdekében széles körben alkalmaznak különböző technológiákat felületi szilárdságuk fokozására.Újabban széles körben elfogadott eljárás a súrlódó felületek szilárdságának tribotechnikai eszközökkel (revitalizálókkal) való szilárdítása – ezek kenőanyagok kerámiaszerű adalékanyagai [1].

Jól ismert, hogy Revitalizant™ hatására a fém alkatrészek tribológiai tulajdonságai változáson mennek át. Felületükön erős kerámia-fém szerkezetek alakulnak ki [1, 2]. A módosulás lényeges körülménye ebben az esetben megváltozott feszültségű határréteg kialakulása, határfelületi vagy kevert kenési módokban. A módosulás következtében változik a fém felületi rétegének érdessége, kémiai összetétele és keménysége.Makroszkopikus szinten a súrlódási együttható csökkenése figyelhető meg, a súrlódó páros akusztikus emissziós módszerekkel regisztrálható átmenete kvázikopásmentes állapotba [3]. Ugyanakkor nem állnak rendelkezésre adatok a súrlódó felületek tulajdonságai (mint pl. szerkezet, feszültségi állapot és keménység) megváltozásának kinetikájáról. Az elmélet és a gyakorlat szempontjából egyaránt érdeklődésre tarthat számot ennek a cikknek a tárgya, a görgős támcsapágy súrlódási felülete állapotalakulásának vizsgálata Revitalizant™ tartalmú kenőanyaggal való működés során.

A kutatás céltárgya

A kutatás céltárgya acél (100Cr6) anyagú hagyományos támcsapágy (81102) sík munkafelülete martenzites hőkezelés után, alapállapotban (1. kép).Az alkatrész külső átmérője 28 mm, belső átmérője 15 mm, vastagsága 3 mm.A csapágykosár 12 db, egyenként 3,5 mm átmérőjű görgőt tartalmaz, vastagsága 3 mm.

1. kép.A csapágy általános nézete

Kenés

A csapágy kenését 10% Revitalizant™ adalékot tartalmazó univerzális lítiumbázisú zsír (ISO-L-XBCEB 2) biztosítja.A Revitalizant™ a XADO Chemical Group (Harkov, Ukrajna) által feltalált szabadalmazott nanokészítmény. Kenőanyagokhoz (olajokhoz, zsírokhoz, munkaközegekhez) hozzáadott adalékanyag, rendeltetése a súrlódó felületek módosítása mechanizmusok működése során.

A Revitalizant™ alumínium, szilícium, vas, magnézium és más elemek oxidjainak (oxid-hidrátjainak) nanoméretű (2-25 nm-es) részecskéiből áll.

A kutatás céltárgyának felületi módosítása

A csapágy munkafelületét a 2. képen látható elrendezés szerint súrlódásvizsgáló készülékben, közvetlenül működés közben módosítottuk. Magasabb fokú kinematikus súrlódó pár jött létre, amely lehetővé tette a görgők csúszásos gördülését: a forgó csapágytesttel egyenes mentén érintkező állandó lapos felület.

2. kép.A vizsgálandó összeállítás felépítése:1 – a csapágy futógyűrűje; 2 – csapágykosár;

3 – görgő; 4 – a csapágy rögzített oldala; n – forgás; N – terhelés

A vizsgálatok alatt a csapágy állandó terhelést kapott, állandó forgási frekvencián; feljegyeztük a csapágy terhelés alatti üzemidejét, valamint rögzített oldalának hőmérsékletét. A vizsgálatok során állandó, 3000 N axiális terhelés és állandó, 1000 min-1 forgási frekvencia mellett változtattuk a csapágy működési idejét. A csapágy rögzített oldalának hőmérsékletét kontakt termopárral mértük, és infravörös sugárzás alapján a kísérlet alatt a hőmérséklet nem haladta meg a +70 0C értéket.

A vizsgálat tárgya először a gyárilag előállított csapágyfelület jellemzése volt; másodszor azt vizsgáltuk, hogyan befolyásolja ugyanazon csapágyfelület állapotát Revitalizant™ tartalmú kenőzsírral való 5, 10, 15 és 20 órás működés. Az egyes vizsgálatok megkezdése előtt a csapágyat feltöltöttük az új zsírral.

Működő csapágynál a forgó felületen megjelöltük a görgőpálya nyomvonalát (3. kép). A görgőpályának ezen a nyomvonalán vizsgáltuk a felület tulajdonságait.

Ϭτ

Ϭr

3. kép.A kutatás céltárgyának módosított felülete:

(a Ϭr – radiális és Ϭτ – tangenciális feszültség hatásai mintázatként láthatóak)

A felület vizsgálatának módszerei

Közismert tény [1, 4], hogy ha kenőanyagokhoz kerámia-fém adalékanyagokat adnak, a súrlódó alkatrészek módosított felületi rétegének vastagsága néhány mikrométertől néhány tucat mikrométerig változik. Ezért a vizsgálatok végrehajtásához a következő módszereket választottuk: Röntgen diffraktometria, elektronmikroszkópia és mikroszkópikus keménységi vizsgálat.A mondott módszerekkel állandó méretű felületi réteg belsejéből nyerhetők adatok.

A csapágy felületének feszültségi állapotára vonatkozó információkat a röntgen diffrakciós vizsgálatokban kapott diffrakciós vonalak elhelyezkedésének, intenzitásának és alakjának elemzésével nyerjük. Ezeket a vizsgálatokat röntgen diffraktométerben hajtják végre

rézanód sugárzásával, 30 kWt gyorsítófeszültségnél és 20 mA áramnál. Annak érdekében, hogy elnyomjuk a Z<29 rendszámú elemek fluoreszcens sugárzását (ZCu= 29), pirolitikus grafitból készült szórt sugárzás monokromátort alkalmaztunk. A kísérletet θ-2θ felvételi módban végeztük kétpontú intenzitásméréssel, 0,150 frekvenciaaránnyal.

A radiális (Ϭr) és tangenciális (ϬT) irányú képlékeny makroszkópikus felületi feszültségek (I-típusú feszültségek) (3. kép) szintjének becslésétsin2ψ módszerrel, egyferdeszögű képen alapuló kutatási módszerrel végeztük [5].A módszer lehetővé teszi az anyag kristályrácsának a vizsgált felülettel párhuzamos síkjai közötti távolságok mérését a kiválasztott irányban és a síkban, a deformáció értékeinek becslését, valamint az azoknak megfelelő képlékeny feszültségek kiszámítását.

Az a felületi rétegvastagság, amelyből a röntgendiffrakciós szerkezetanalízis során kapott szerkezeti diszperzitási és feszültségállapotra vonatkozó adatokat nyertük, közelítőleg 10 µmvolt.

A felületi réteg mechanikai tulajdonságaira vonatkozó információkat a mikroszkópikus keménységvizsgálati módszerrel nyertük. Ennek a módszernek az alkalmazásával kb. néhány tucat mikron mélységű felületi rétegben nyerhetünk információkat az anyag tulajdonságairól. A kutatás során a mikroszkópikus keménységet a visszaállított benyomódás módszerével, Vickers-féle gyémánt nyomóhengerrel mértük. A nyomóhengertest alakja 1360-os csúcsszögű négyzetalapú tetraéderes piramis.A mikroszkópikus keménység mérését1,96 N terhelésnél végeztük, ami a nyomóhenger maximum 10 µm mélységű behatolását biztosítja.

Kutatási eredmények

A szerkezet kialakulása

A 4. képen megadjuk a röntgen szerkezetanalízissel kapott diffraktogramokat, melyeket a csapágy eredeti felületén Bragg-Bertano geometriában, széles szögtartományban, valamint a görgőpályán nyertünk a csapágy 20 órás működése után.A diffraktogramokon zárójelben tüntettük fel az α-Fe tércentrált köbös rács kristálytani síkjainak Miller-indexeit.A gyenge, index nélküli vonalak a maradó ausztenit lapcentrált köbös rácsának felelnek meg – ami γ-Fe-ban oldott szilárd szén magas hőmérsékletű módosulata.

A diffraktogramok elemzése a felület anyagának kezdeti szerkezetét mutatja, nanodiszperz állapotban.A felület kiindulási és 20 órás működés utáni állapota diffraktogramjainak hasonlósága (a diffrakciós vonalak helyzete, intenzitása és szélessége szempontjából) bizonyítja, hogy a görgőpálya mentén nem történt fázisváltozás vagy kémiai átalakulás. Tehát a nanodiszperz állapot az egész időtartam alatt változatlan maradt.A koherens szórás területe ~17 nm-t tett ki, és stabil maradt az egész kísérlet alatt.

140

120

100

80

60

40

20

0

40                       60                       80 100                                          120                     140

4. kép.A kiindulási felület (a) és a 20 órás működés utáni görgőpálya (b) diffraktogramja

A feszültségi körülmények kialakulása

A Revitalizant™ adalékkal való súrlódási kölcsönhatás folyamatai módosítják a felületi réteget. A felületi rétegen belüli feszültségállapot kialakulását valószínűleg három tényező befolyásolja, ezek az energia, a hő és fázissal összefüggő tényezők [6]. Mivel a kísérlet során nem észleltünk fázisátalakulást, és a hőterhelési szintek elég alacsonyak (+700C), nyilvánvalóan az energiatényező befolyásolta a feszültségállapot típusát.

Annak érdekében, hogy értékeljük a síkbeli feszültségállapot kialakulását, mértük a képlékeny feszültségtangenciális (Ϭт) és radiális (Ϭr) komponenseit.

A felület kiindulási feszültségállapotát tangenciális és radiális irányban egyaránt nagyfokú szimmetrikus nyomófeszültség jellemezte (Ϭr ~ Ϭτ ~1,5 GPa).

A csapágy működési ideje alatt a felület szimmetrikus síkbeli feszültsége disszimmetrikus állapotba megy át (5. kép).

A tangenciális irányú nyomófeszültség ugyanolyan szinten marad, mint a kiindulási felület nyomófeszültsége (Ϭτ ~1,5 GPa); a radiális irányú nyomófeszültség nő, és a működési időnövekedésével a határszilárdsággal összemérhető értéket ér el (Ϭr ~ 2,1 GPa).

Fontossággal bír a szimmetrikusból a disszimmetrikus feszültségállapotba való átmenet vizsgálata.A radiális és tangenciális nyomófeszültség 20 órás működés után észlelt különbsége a következőképpen magyarázható.A Revitalizant™ adalékanyag részecskéi nanoméretű gömbszerű szilárdító elemekként ábrázolhatóak, a felület módosulási folyamata pedig a felület nanokeményítéseként (nanoszilárdításaként). Vizsgáljuk meg a részecske és a felület érintkezését. Hertz-féle ütköző érintkezéskor a felület a radiális és a tangenciális irányban egyaránt szilárdulna. Amint egy revitalizáló részecske súrlódáskor elmozdul a felület mentén, a tangenciális irányú nyomófeszültség a részecske előtt, a húzófeszültség pedig a részecske mögött lép fel [7]. Ezért a részecske felületre gyakorolt szilárdító hatása a tangenciális irányban semlegesítődik, és nincs eredő szilárdítás.

Ϭ, Gpa

2,5

2

1,5

1,67

1,91                        1,82

2,1

Ϭr, Gpa Ϭτ, Gpa

1,45                       1,43

1

1,31

1,51

0,5

0

0                      5                     10                    1520

Idő, h

5. kép.Nyomófeszültségek alakulása

Mikroszkópikus keménység alakulása

A csapágy működésének első öt órájában a mikroszkópikus keménység növekedését észleltük;a további 15 óra alatt a mikroszkópikus keménység nem változott észrevehetően. A felület mikroszkópikus keménységét mutatja a csapágy működési idejének függvényében az 1. diagram, 200 g terhelésnél.

1. diagram

 Összefoglalás

Ahogy az előzőekből látható, vizsgáltuk a görgőscsapágy működési felülete tulajdonságainak változását a Revitalizant™ tartalmú kenőanyaggal való működés idejének függvényében. A csapágy munkafelülete a 20 órás, állandó terhelés mellett végzett kísérletben finom eloszlású diszperz állapotban maradt. Nem észleltük a koherens szóródási terület lényeges megváltozását. Nem figyeltük meg a fázisállapot változását. Ugyanakkor a szimmetrikusból a disszimmetrikus feszültségállapotba való átmenetet figyelhetünk meg. A csapágy működési ideje alatt a nyomófeszültség a radiális irányban nő, a tangenciális irányban pedig változatlan marad.

Hivatkozás

1. Войтов В.А. Технологии триботехнического восстановления, обзор и анализ перспектив. // Проблемы трибологии. – 2005. – № 2 – с.86 – 94.
2. Трибологія: підручник / М.В. Кіндрачук, В.Ф. Лабунець, М.І. Пашечко, Є.В. Корбут.

– К. : НАУ-друк, 2009. – 392 с.

3. Стадниченко В.Н. Об образовании и функционировании металлокерамического покрытия, полученного с помощью ревитализантов / В.Н. Стадниченко, Н.Г. Стадниченко, Р.Н. Джус, О.Н. Трошин // Вестн. науки и техн. – Х.: ХДНТ и НТУ “ХПИ”. – 2004. – Вып. 1(16). – С. 18-27.
4. Зозуля В.Л. Ревитализация промышленного оборудования – одно из направлений энерго- и ресурсосбережения. /Исаков Д.И. //Экология и промышленность. – 2013. – №1 – с. 48-50.
5. NOYAN, I.N., COHEN, J.B., Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation Springer-Verlag, New York (1987).
6. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов / А. М. Сулима, М. И.Евстигнеев. М.: Машиностроение, 1977, – 256 с.
7. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, B.C. Комбалов. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.