Способ оценки износостойкости керамических материалов по изменению параметра шероховатости rt

Изобретение относится к области трибологии, в частности к экспресс-оценке износостойкости конструкционных высокотвердых керамических материалов, работающих в паре трения с металлом. Сущность: испытуемый образец керамики трется своей поверхностью по контртелу при постоянной нормальной нагрузке и скорости скольжения. До осуществления трения на поверхности керамики в зоне контакта иглой ставится прямолинейная риска («засечка»), затем на длине зоны контакта перпендикулярно линии риски определяется профиль, строится профилограмма и диаграмма Аббота-Файрстоуна, на которой рассчитывается вклад в трение доли наиболее выступающих шероховатостей α относительно линейного профиля. После трения строится аналогичная профилограмма и рассчитывается изменение параметра шероховатости ΔRt, определяется площадь контакта S, изношенный объем Vm керамического определяется по формуле. Технический результат: определение изношенного микрообъема керамики при непродолжительном трении по изменению параметра шероховатости Rt, что можно использовать при оценке износостойкости выборок керамик на уровне «лучше-хуже» для пар трения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

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⋅qp, 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 Rt, 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 Rt, определяемый как сумма величин максимального выступа профиля и максимальной впадины, отсчитанных от средней линии профиля, является экстремальным, единственным на профилограмме. При этом параметр Rt не зависит от положений средней линии. Другие параметры профилограммы Ra и Rz зависят от положения средней линии и подсчитываются на основе определенной статистики.

Тонкая пленка металла существенно уменьшает значения параметров Ra и Rz, замазывая мелкие впадины, в то время как параметр Rt 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 ΔRt между величинами Rt 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 Rt 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 Rt, 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 ΔRt. Определялась площадь фактического пятна контакта S. Затем по формуле (1) рассчитывался изношенный микрообъем Vm 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 (ΔVm/L) совпадают с данными по массовому износу от пути трения (Δm/L), таблица 1.

1. Способ оценки износостойкости керамических материалов по изменению параметра шероховатости Rt, заключающийся в том, что испытуемый образец керамики трется своей поверхностью по контртелу при постоянной нормальной нагрузке и скорости скольжения, отличающийся тем, что до осуществления трения на поверхности керамики в зоне контакта иглой ставится прямолинейная риска («засечка»), затем на длине зоны контакта перпендикулярно линии риски определяется профиль, строится профилограмма и диаграмма Аббота-Файрстоуна, на которой рассчитывается вклад в трение доли наиболее выступающих шероховатостей α относительно линейного профиля, после трения строится аналогичная профилограмма и рассчитывается изменение параметра шероховатости ΔRt, определяется площадь контакта S, изношенный объем Vm керамического материала определяется по формуле:

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трение осуществляется плоской поверхностью керамики, а в качестве контртела при трении используется плоский торец вращающегося стержня из стали.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что взаимодействующие плоские поверхности должны соответствовать 7-9 классу шероховатости.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время трения составляет 10-30 с при нагрузке 5-20 Н и линейной скорости скольжения стального контртела 0,2-1 м/с, в зависимости от прочностных свойств материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области триботехники, в частности к устройствам и методам исследований на абразивную износостойкость, применительно к деталям с покрытыми или упрочненными рабочими поверхностями, которые эксплуатируются в условиях абразивного изнашивания в незакрепленном абразиве.
Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности испытаний на стойкость к абразивному изнашиванию при перемещении изделия в истирающей массе с не жестко закрепленными абразивными частицами.

Изобретение относится к испытательной технике. Установка содержит раму, на которой установлен привод вала вращения и емкость с абразивным материалом.

Изобретение относится к способам оценки внешних и внутренних параметров узлов трения тормозных устройств в стендовых условиях, в частности пар трения ленточно-колодочных тормозов буровых лебедок.

Изобретение относится к исследованию трибологических свойств смазочных материалов, используемых в машиностроении. Способ заключается в эксплуатации пары трения в присутствии смазки, пропускании через нее электрического тока при неподвижной паре трения и при установившемся режиме трения, при этом определяют электрическую емкость между верхней и нижней поверхностями пары трения палец-диск в присутствии слоя смазки и по полученным показаниям судят о диэлектрической проницаемости исследуемого материала и ориентации молекул в слое, при этом чем больше коэффициент упорядоченности молекул в ориентированном слое (ближе к единице), а вектор преимущественной ориентации молекул совпадает с вектором электрического поля, создаваемого вследствие измерения емкости, тем диэлектрическая проницаемость смазочного материала выше и выше смазочные свойства испытуемого образца; совместно с измерениями емкости производят измерение толщины пленки с помощью лазерного измерителя; результаты получают при неподвижной паре трения и при установившемся режиме трения, после чего судят об эффективности смазочного материала и о роли трибоактивных компонентов в составе смазочного материала путем сопоставления данных испытания с требуемыми параметрами.

Изобретение относится к исследованию трибологических свойств смазочных материалов, используемых в узлах трения. Способ основан на использовании верхнего и нижнего слоя поверхностей трения в присутствии исследуемого слоя смазки между ними, при этом формируют молекулярную модель пары трения с рандомизированным расположением молекул в смазочном слое с использованием ЭВМ и программы молекулярного моделирования, реализующей методы молекулярной механики, молекулярной динамики и квантовой химии, при этом после размещения двух параллельных слоев поверхностей трения с исследуемым слоем смазки между ними, проводят, используя процедуры минимизации энергии системы, оптимизацию положения молекул в смазочном слое, после чего находят межфазную поверхностную энергию, путем определения разницы энергий системы до взаимодействия смазочного слоя с поверхностью трения и после взаимодействия; затем осуществляют циклический сдвиг верхней поверхности трения относительно нижней, сохраняя параллельность заданное количество раз, повторяя процесс оптимизации положения молекул на каждом шаге сдвига, вследствие чего молекулы в смазочном слое принимают определенное геометрическое расположение в пространстве; после чего с учетом расположения молекул относительно поверхностей трения по известным зависимостям рассчитывают ориентационный коэффициент, а коэффициент упорядоченности молекул в смазочном слое рассчитывают из заданного соотношения, затем с помощью программы молекулярного моделирования рассчитывают потенциальную энергию системы, при этом ориентационный коэффициент, коэффициент упорядоченности молекул в смазочном слое и максимальное значение потенциальной энергии системы коррелируют с напряжением сдвига и, соответственно, силой трения; после чего по полученным данным определяют наиболее эффективное смазочное средство, которое обладает наименьшим напряжением сдвига при наименьшем значении потенциальной энергии системы и наибольших ориентационном коэффициенте и коэффициенте упорядоченности.

Изобретение относится к области испытания материалов на износ и может быть использовано при оценке износостойкости поверхностей и покрытий. Сущность: осуществляют склерометрирование наплавленного покрытия, нанесенного на основной материал с последующим измерением геометрических параметров деформации поверхности покрытия.

Изобретение относится к технике испытания строительных материалов Стенд содержит термостатированную камеру с размещенным в ней узлом создания усилия на испытуемый образец, имеющим обрезиненное колесо, закрепленное в держателе; выводящимися на пульт управления терморегулятором и измерителем глубины образующейся колеи; выполненным с возможностью движения по горизонтальным направляющим штангам посредством привода с электродвигателем испытательным столом.

Изобретение относится к области исследования износостойкости материалов, используемых в стоматологии. Сущность изобретения: замеряют массы, геометрические размеры и шероховатость поверхности образцов эталона и исследуемого материала и помещают их на дно емкости.

Группа изобретений относится к области оптических измерений одновременно нескольких параметров изделий, в частности к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении.

Изобретение относится к области трибологии, в частности к экспресс-оценке износостойкости конструкционных высокотвердых керамических материалов, работающих в паре трения с металлом. Сущность: испытуемый образец керамики трется своей поверхностью по контртелу при постоянной нормальной нагрузке и скорости скольжения. До осуществления трения на поверхности керамики в зоне контакта иглой ставится прямолинейная риска, затем на длине зоны контакта перпендикулярно линии риски определяется профиль, строится профилограмма и диаграмма Аббота-Файрстоуна, на которой рассчитывается вклад в трение доли наиболее выступающих шероховатостей α относительно линейного профиля. После трения строится аналогичная профилограмма и рассчитывается изменение параметра шероховатости ΔRt, определяется площадь контакта S, изношенный объем Vm керамического определяется по формуле. Технический результат: определение изношенного микрообъема керамики при непродолжительном трении по изменению параметра шероховатости Rt, что можно использовать при оценке износостойкости выборок керамик на уровне «лучше-хуже» для пар трения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Наверх