Поверхностное упрочнение чугуна в результате обработки триботехническим составом.
Наноструктурное исследование с использованием оптической и
атомно-силовой микроскопии
Введение
Настоящее исследование направлено на изучение поверхностного упрочнения чугуна в результате обработки триботехническим составом на основе серпентина, которое проводится для увеличения износостойкости изделий.
Актуальность исследований, в современных условиях, диктуется необходимостью поиска, разработки и совершенствования энерго- ресурсосберегающих технологий для использования в производстве и эксплуатации машин и механизмов.
Основными задачами проводимого исследования является разработка и апробация методов визуализации и измерения микротвердости эффективного слоя, который образован на поверхностях трения образцов в результате обработки.
Этот слой играет в трибологических парах (трибопарах) роль «третьего тела», предотвращающего контакт «металл-металл».
Следует отметить, что широко используемые жидкие, консистентные и специальные смазки так и не стали достаточно эффективным «третьим телом» трибопарах. Хотя в них присутствуют «штатные присадки и добавки».
Для решения это проблемы были разработаны масла и смазки с нерастворимыми минеральными добавками. Добавки представляют собой высокодисперсные порошки минералов с определенной микростуктурой.
Среди добавок можно отметить:
- Дисульфид и диселенид молибден
- Графит и валлостонит
- Магнитные материалы, удерживающие смазки и масла в зоне трения.
Такие смазочные материалы нашли лишь ограниченное применение. Однако, на своем месте они оказались эффективнее, чем традициционные масла.
То есть, включения играли роль третьего эффективнее, чем пленки масел.
Поиск эффективных менеральных добавок привел к тому, что в конце 80-х годов были возобновлены исследования минерала серпентин.
Этот минерал создает эффективный слой «третьего тела» непосредственно на поверхностях трения деталей машин.
При этом он вступает в химическое взаимодействие металлом поверхностей трения. Это приводит к изменению микроструктур самого минерала и металла в местах контакта.
Не смотря на успешную демонстрацию высокой эффективности обработки трущихся деталей машин триботехническими составами, до сих пор отсутствуют публикации результатов исследований поверхностного упрочнения металлов.
1. Объект исследования и задачи.
Исследуемый материал – не отбеленный чугун, обработанный триботехническим составом.
Исследуемые образцы – рычаги клапанов двигателя ВАЗ 2143.
Первоначальная (до обработки) твердость поверхностей трения составляла около 20 HRC.
Обработка поверхностей трения проводилась триботехническим составом при штатной эксплуатации двигателя, при которой выделялась энергия в местах трения.
Триботехнический состав – изготовлен в виде геля.
Содержит высокодисперсную минеральную смесь серпентина и металлосодержащего минерала с соответствующими добавками. Они способствую образованию слоев на поверхностях трения.
Методика отбора серпентинита на месторождении, способы его переработки и состав минеральной смеси защищены патентом.
Исследуемый двигатель был обработан триботехническим составом по авторской технологии.
Общее количество высокодисперсной минеральной смеси составила около 0,2 грамма.
Пробег двигателя после обработки триботехническим составом (время работы рокеров) составлял около 45 тысяч километров.
В задачи исследования входит:
- Визуализация слоя, возникшего на поверхности трения (оптическая и атомно-силовая микроскопия)
- Измерение микротвердости и микроструктуры слоя, возникающего на поверхности трения.
- Выявление отличий параметров образованного слоя от основного металла
Методика исследований
Для исследований было изготовлено поперечное (перпендикулярно к модифицированной поверхности) сечение образца.
Резка проводилась алмазной дисковой пилой на станке Model 15 (Logitech, Великобритания).
Финишная полировка поверхности производилась на станке прецизионной шлифовки и полировки PM5 (Logitech, Великобритания) с использованием алмазного синтетического микропорошка ACM 5 размер зерен 0,5-0,1мкм.
Для выявления микроструктуры проведено химическое травление поверхности после полировки 1%-м раствором азотной кислоты в спирте в течение пяти секунд.
В ходе проведения исследований использовалась:
- оптическая микроскопия
- атомно-силовая микроскопия
- наноиндентирование
Визуализация поверхностного слоя.
Для визуализации слоя, который образовался на поверхности трения, проводились наблюдения на оптическом микроскопе Olympus BX-51 (Olympus, Япония) в режиме отраженного света. Использовались объективы с увеличением х40 и х100
Измерение микротвердости
Для измерения микротвердости образованного слоя и металла проводилось наноиндентирование с использованием наносклерометрического модуля зондовой нанолаборатории NTEGRA Prima (ЗАО «НТ-МДТ», Зеленоград Россия).
В качестве наноиндентора использовался зонд типа Берковича (алмазная трехгранная пирамида).
В приведенных экспериментах индентация проводилась шагом 8мкм с нагрузкой 50мН.
Величина локальной микротвердости H рассчитылавась по следующей формуле:
H=F/Ac=F/1,1*Ap
F – максимальная нагрузка
Ac – площадь контактной поверхности непосредственно в процессе индентирования
Aр – площадь проекции отпечатка индентора
Измерение микроструктуры
Детальное исследование микроструктуры образованного слоя и основного металла, а также измерение рельефа поверхности отпечатков наноиндентора проводилась с помощью зондовой нанолаборатории NTEGRA Prima (ЗАО «НТ-МДТ», Зеленоград Россия) методом атомно-силовой микроскопии в контактном режиме.
Использовались зондовые датчики NSG01 со следующими типичными характеристиками:
- Высота зонда 10-15мкм
- Угол раствор зонда ≤ 22°
- Радиус закругления острия около 10нм
Контактная атомно-силовая микроскопия (к-АСМ) представляет собой один из режимов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).
Режим СЗМ позволяет имзерять рельеф поверхности с субнанометровым пространственным разрешением.
Метод заключается в регистрации сил межатомного взаимодействия между исследуемой поверхностью и зондовым датчиком.
Зондовый датчик представляет собой механическую иглу, закрепленную на конце кантилевера (миниатюрной балочки).
Величина силы отталкивания между зондом и поверхностью в контактном режиме пропорциональна величине изгиба кантилевера.
Величина изгиба кантилевера измеряется по изменению луча лазера, отраженного от кантилевера и попадающего на четырехсекционный фотодетектор.
Введение системы обратной связи позволяет поддерживать постоянно среднюю величину силы взаимодействия в процессе сканирования образца (построчного перемещения зонда над исследуемой поверхностью) за счет управления вертикальным положением кантилевера.
Это происходит таким образом, чтобы положение луча лазера на фотоприемнике оставалось постоянным.
При этом электронная подсистема СЗМ (управляемая персональным компьютером) регистрирует вертикальные перемещения кантилевера и измеряет рельеф поверхности.
Для более отчетливого выявления особенностей рельефа может быть построено изображение, которое соответствует отклонению изгиба кантилевера в процессе от заданной рабочей величины.
Следует отметить, что к-АСМ является очень чувствительной методикой.
Данная методика позволяет измерить рельеф поверхности с вертикальным разрешением менее одного нанометра.
Горизонтальное разрешение определяется радиусом закругления острия зонда, который может изменяться для разных типов зонда от 1 до 20нм.
Полученные результаты
Визуализация поверхностного слоя
Новообразованный слой может быть визуализирован на полированном поперечном срезе исследуемого образца после селективного химического травления (рис.1а,б)
Рис.1 а) б) Изображение бокового среза
в) и г) Поверхность не подвергалась трению. Оптическая микроскопия.
Рис.2 Увеличенные изображения новообразованного слоя, выявленного селективным химическим травлением. Оптическая микроскопия.
Контрольные изображения поверхности, не подвергавшейся трению, продемонстрировали полное отсутствие выявленного травлением поверхностного слоя (рис.1 в,г).
Это позволяет не только определить локальную толщину слоя, но и производить измерения его пространственной однородности.
Показано, что толщина слоя на поверхности трения исследованного образца изменялась в пределах от 1 до 8мкм (Рис.2)
Измерение микротвердости
Измерение микротвердости с помощью наноиндентирования производилось для основного металла на сечении вдали от поверхности трения (рис.3а)
А для новообразованного слоя – непосредственно на поверхности (рис.3б).
Проводилась серия отпечатков наноиндентора с одинаковой нагрузкой.
В контактном режиме атомно-силовой микроскопии были получены изображения отпечатков.
Они позволили получить информацию о пространственной неоднородности микротвердости с высоким пространственным разрешением.
Рис.3 Изображения отпечатков наноиндентора, полученные в контактном режиме атомно-силовой микроскопии: а) в основном металле б) в новообразованном слое. Нагрузка 30мН.
Рис.4 Типичные изображения отпечатков наноиндентора, полученные в контактном режиме атомно-силовой микроскопии. а) в основном металле, высота рельефа 790 Нм, б) в новообразованном слое, высота рельефа 270 Нм. Размер скана 9х9 мкм2 . Нагрузка 30Нм.
Статистическая обработка результатов измерения микротвердости приведена на рис.5
Видно, что среднее значение микротвердости основного металла составляет 2,5 Гпа.
А микротвердость новообразованного слоя в 5 раз выше (12,5 ГПа)
Форма отпечатка позволяет утверждать, что новообразованный слой достаточно пластичен.
Это чрезвычайно важно для применения.
Рис.5 Гистограмма распределения локальной микротвердости. Синий – результаты измерения в основном металле, красный – в новообразованном слое.
Измерения микроструктуры
Для измерения микроструктуры поверхностного слоя была проведена серия измерений рельефа поверхности с высоким пространственным разрешением в контактном режиме атомно-силовой микроскопии. (Рис. 6-9)
Рис. 6 Типичные изображения рельефа поверхности в основном металле, полученные в контактном режиме атомно-силовой микроскопии. Размер скана 4х4 мкм.
В основном металле селективное травление позволило выявить регулярную полосовую структуру зерен фазы мартенсита (рис.6)
Рельеф качественно изменяется при переходе в новообразованный слой. (рис.7)
Причем легко определить, что новообразованный слой значительно менее шероховат, чем поверхность металла.
Кроме того, удается установить, что слой обладает повышенной устойчивостью к воздействию травителя (азотной кислоты).
Рис.7 Переходный слой на границе основного металла и новообразованного слоя. Изображения рельефа поверхности, полученные в контактном режиме атомно-силовой микроскопии. Размер 10х10 мкм.
Рис.8 Переходный слой на границе основного металла и новообразованного слоя. Изображения рельефа поверхности, полученные в контактном режиме атомно-силовой микроскопии. Размер скана 4х4 мкм.
Полученное высокое пространственное разрешение позволяет измерять высоту рельефа с ошибкой менее одного нанометра и подробно охарактеризовать не только микроструктуру новообразованного слоя, но и переходного наиболее загадочного слоя. (Рис.8)
И наконец, измерение рельефа поверхности новообразованного слоя с высоким разрешением (рис.9) позволило обнаружить, что он состоит из отдельных нанозерен размерами менее 30-50нм. Таким образом, удалось установить, что в результате обработки на поверхности трения образуется формируется слой, который состоит из наночастиц.
Есть основание полагать, что особенные свойства сформированного слоя обусловлены существованием наноструктуры.
Рис.9 Наноструктура в сформированном слое. Изображения рельефа поверхности, полученные в контактном режиме атомно-силовой микроскопии. Размер 1х1 мкм.
4. Заключение
По результатам проведенных первичных исследований сформированных слоев в результате обработки триботехническим составом могут быть сделаны следующие выводы:
1. Микротвердость сформированного слоя в 5 раз выше, чем у основного металла.
2. Толщина сформированного слоя варьируется в широких пределах от одного до восьми микрон. Это позволяет залечивать дефекты поверхности основного металла.
3. Микрошероховатость поверхности новообразованного слоя существенно меньше, чем поверхности основного металла.
4. Скорость травления, которая может быть использована для оценки химической коррозии, существенно уменьшается на новообразованном слое. Следовательно, обработка триботехническим составом повышает устойчивость поверхности к химическому воздействию.
5. Результаты микроиндентирования позволяют предположить, что новообразованный слой достаточно пластичен (чрезвычайно важно для применения)
6. Исследование морфологии поверхности нового слоя позволяет предположить, что слой обладает высокой адгезионной способностью.
7. Удалось выявить наноструктуру новообразованного слоя. Существование этой наноструктуры может быть причиной особых свойств этого слоя.
8. Реализованные методики с высоким пространственным разрешением открывают возможности для проведения систематических исследований обработки поверхностей трения триботехническим составом. Это позволит более эффективно использовать уникальные свойства серпентина для увеличения ресурса машин и механизмов при одновременном снижении потребления энергоресурсов.