Формирование поверхностного слоя узлов трения с повышенной износостойкостью

Развитие современного машиностроения связано с применением новых прогрессивных технологических процессов, позволяющих повысить ресурс и надежность, обеспечить работоспособность деталей машин в жестких условиях эксплуатации, при действии динамических и статических контактных, силовых и тепловых нагрузок. Надежность и ресурс современной техники в значительной степени зависят от работоспособности и срока службы узлов трения. В свою очередь, свойства трибосистем определяются эксплуатационными свойствами материалов, из которых они изготовлены и, главным образом, износостойкостью их поверхности. Потери металла от износа узлов трения машин составляют около 30 % их массы. Статистика показывает, что до 85% отказов и аварий происходит в результате износа фрикционных поверхностей таких узлов.Известно, что прочность поликристаллических материалов во многом определяется свойствами межкристаллитных границ (границ зерен) – объектов, толщина которых сопоставима с размерами атомов. Особенно важную роль границы зерен играют в процессах деформации и разрушения при повышенных температурах. Одной из причин понижения прочности поликристаллических материалов, часто указываемой в литературе, является зернограничная сегрегация, в ходе которой из объема зерен на границу между ними выходят атомы примесных и легирующих элементов. В результате ослабляется связь между зернами и механические свойства металлов ухудшаются. Ослабление связей между зернами в поверхностных слоях приводит к повышению износа материалов. В настоящее время существует большое число теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию свойств границ зерен поликристаллических материалов. Тем не менее, связь между химическим составом границ и механизмом разрушения до конца не выяснена. Трудность проблемы связана с тем, что прочность поликристаллических материалов и износостойкость их поверхности зависят от большого числа факторов: кроме химического состава примесных и легирующих элементов на эти свойства влияют температура материалов и ее изменения в процессе их изготовления, размер и ориентация зерен, наличие дислокаций и т.д. Вопрос о целенаправленном формировании химического состава межзеренных границ, в результате которого упрочнялась бы связь между зернами и увеличивалась износостойкость материалов, в литературе не ставился. Впервые этот вопрос поставлен в наших работах. Известные экспериментальные данные, относящиеся к охрупчиванию стали, дают основание полагать, что величина энергии связи атомов во многом определяет способность сегрегированных атомов ослаблять или упрочнять границы зёрен. Проект направлен на повышение живучести поверхностного слоя, в условиях высоких степеней деформации при трении, за счет укрепления связей между зернами в поверхностных слоях фрикционных поликристаллических материалов. Предлагаемый нами подход обладает принципиальной новизной. Ранее нашей группой теоретически было показано, что для увеличения износостойкости узлов трения целесообразно вводить в поверхностные слои металла такие химические элементы, которые, располагаясь на границах зерен, упрочняли бы связь между зернами металла. В отличие от метода химико-термической обработки, речь идет о введении элементов не в весь поверхностный слой материала, а только на поверхность зерен этого слоя.Для реализации поставленной в проекте задачи необходима разработка метода диффузионного введения упрочняющих элементов в поверхностные слои трущихся металлов без образования химических соединений этих элементов с металлами. В связи с тем, что поверхность после введения упрочняющих элементов будет представлять собой энергетически насыщенный слой с высоким термодинамическим потенциалом, процессы трения будут происходить на фоне перестройки и деформации тонкого поверхностного слоя, приводящей к субструктурным изменениям. На фоне ужесточения требований к поверхностям трибоконтакта традиционные методы поверхностной обработки во многом себя исчерпали. Перспективными методами поверхностного упрочнения и модифицирования являются методы, основанные на обработке материалов концентрированными потоками энергии и вещества (КПЭ). Изменение условий внешнего энергетического воздействия и внутреннего элементного состава системы преобразует фазовый состав системы, что сказывается на ее физических свойствах. Знание этих свойств и термодинамический подход к оценке фазового состояния и фазовых переходов в системе послужат основой структурного модифицирования материалов трибосистемы.Правильная оценка химического строения, физической структуры и морфологии поверхности трибосопряжения может быть получена только с помощью комплекса современных методов анализа поверхности (оже-электронная спектроскопия, рентгеноэлектронная спектроскопия с немонохроматизированным и монохроматизированным рентгеновским излучением, фотоэлектронная спектроскопия с возбуждением электронов ультрафиолетовым излучением линий гелий I и гелий II, спектрометрия рассеяния медленных ионов, наноиндентирование, металлография и т.д.). Применение комплекса методов позволит расширить и углубить представления о протекающих на поверхности металлических тел процессах, направлено формировать эту поверхность.Еще одной особенностью рассматриваемой проблемы является необходимость анализа полной истории нагружения совместно с рассмотрением процессов формирования различных видов структурной и физической неоднородности. Такой подход дает возможность определения итогового комплекса физико-механических свойств, структуры, наведенных данной технологией полей напряжений и деформаций. Будут разработаны эффективные методы решения задач контактного взаимодействия в статическом и динамическом режимах деталей машин и механизмов в различных трибосистемах с учетом трения и тепловыделения от трения и при наличии измененных поверхностных слоев в области контакта . При выполнении проекта будут осуществлены постановки новых задач контактного взаимодействия и созданы адекватные математические и компьютерные модели, в значительной степени отражающие реальные условия работы различных трибосопряжений, их геометрию и механические свойства.