Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь

Методами електронної мікрозондової оже-спектроскопії, рентґенівської енергодисперсійної мікроаналізи, растрової електронної та оптичної мікроскопії досліджено спряжені мікроділянки поверхонь тертя бронзи та сталі, яких було вилучено з пар тертя за умов або безпосередніх, або близьких до перебігу від...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Успехи физики металлов
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Кіндрачук, М.В., Міщук, О.О., Данілов, А.П., Хлєвна, Ю.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2013
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98362
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь / М.В. Кіндрачук, О.О. Міщук, А.П. Данілов, Ю.Л. Хлєвна // Успехи физики металлов. — 2013. — Т. 14, № 1. — С. 85-106. — Бібліогр.: 25 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859988187191967744
author	Кіндрачук, М.В. Міщук, О.О. Данілов, А.П. Хлєвна, Ю.Л.
author_facet	Кіндрачук, М.В. Міщук, О.О. Данілов, А.П. Хлєвна, Ю.Л.
citation_txt	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь / М.В. Кіндрачук, О.О. Міщук, А.П. Данілов, Ю.Л. Хлєвна // Успехи физики металлов. — 2013. — Т. 14, № 1. — С. 85-106. — Бібліогр.: 25 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Успехи физики металлов
description	Методами електронної мікрозондової оже-спектроскопії, рентґенівської енергодисперсійної мікроаналізи, растрової електронної та оптичної мікроскопії досліджено спряжені мікроділянки поверхонь тертя бронзи та сталі, яких було вилучено з пар тертя за умов або безпосередніх, або близьких до перебігу відомого ефекту «вибірного перенесення» елементів контактної зони тертя. Одержано нові дані щодо механізму утворення та властивостей поверхневої «сервовитної плівки» на бронзі. Методами электронной микрозондовой оже-спектроскопии, рентгеновского энергодисперсионного микроанализа, растровой электронной и оптической микроскопии исследованы сопряжённые микроучастки поверхностей трения бронзы и стали, полученные как вблизи, так и непосредственно при условиях протекания известного эффекта «избирательного переноса» элементов контактной зоны трения. Получены новые данные о механизме образования и свойствах поверхностной «сервовитной плёнки» на бронзе. By the methods of microprobe Auger-electron spectroscopy, X-ray energy dispersive microanalysis, scanning electron and optical microscopy, the conjugate microregions of friction surfaces between bronze and steel are investigated. The latter are obtained near and in the conditions of the known effect of the ‘selective transfer’ of elements in the friction contact zone. New data about the creation mechanism and properties of the surface ‘protective lubricating film’ on the bronze are obtained.
first_indexed	2025-12-07T16:29:44Z
format	Article
fulltext	85 PACS numbers: 06.60.Vz, 62.20.Qp, 68.35.Af, 68.37.Hk, 81.40.Pq, 81.65.Lp, 81.70.Jb Властивості поверхонь тертя пари бронза–сталь М. В. Кіндрачук, О. О. Міщук, А. П. Данілов, Ю. Л. Хлєвна Національний авіаційний університет, просп. Космонавта Комарова, 1, 03680, МСП, Київ-58, Україна Український НДІ нафтопереробної промисловості «МАСМА», просп. Акад. Палладіна, 46, 03680, МСП, Київ-142, Україна Методами електронної мікрозондової Оже-спектроскопії, рентґенівської енергодисперсійної мікроаналізи, растрової електронної та оптичної мік- роскопії досліджено спряжені мікроділянки поверхонь тертя бронзи та сталі, яких було вилучено з пар тертя за умов або безпосередніх, або бли- зьких до перебігу відомого ефекту «вибірного перенесення» елементів ко- нтактної зони тертя. Одержано нові дані щодо механізму утворення та властивостей поверхневої «сервовитної плівки» на бронзі. Методами электронной микрозондовой оже-спектроскопии, рентгенов- ского энергодисперсионного микроанализа, растровой электронной и оп- тической микроскопии исследованы сопряжённые микроучастки поверх- ностей трения бронзы и стали, полученные как вблизи, так и непосред- ственно при условиях протекания известного эффекта «избирательного переноса» элементов контактной зоны трения. Получены новые данные о механизме образования и свойствах поверхностной «сервовитной плён- ки» на бронзе. By the methods of microprobe Auger-electron spectroscopy, X-ray energy dispersive microanalysis, scanning electron and optical microscopy, the con- jugate microregions of friction surfaces between bronze and steel are inves- tigated. The latter are obtained near and in the conditions of the known effect of the ‘selective transfer’ of elements in the friction contact zone. New data about the creation mechanism and properties of the surface ‘protective lubri- cating film’ on the bronze are obtained. Ключові слова: бронза, сталь, тертя, карбіди, навуглецювання. (Отримано 20 грудня 2012 р.) Успехи физ. мет. / Usp. Fiz. Met. 2013, т. 14, сс. 85–106 Îòòèñêè äîñòóïíû íåïîñðåäñòâåííî îò èçäàòåëÿ Ôîòîêîïèðîâàíèå ðàçðåøåíî òîëüêî â ñîîòâåòñòâèè ñ ëèöåíçèåé 2013 ÈÌÔ (Èíñòèòóò ìåòàëëîôèçèêè èì. Ã. Â. Êóðäþìîâà ÍÀÍ Óêðàèíû) Íàïå÷àòàíî â Óêðàèíå. 86 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА 1. ВСТУП Поверхня, сформована під час тертя, має відмінні від вихідної структури властивості та визначає триботехнічну поведінку всього матеріялу [1, 2]. Безпосереднє дослідження перебігу процесів у трибологічному контакті та зокрема закономірностей утворення поверхневих мікроструктур та перенесення речовини в контактній зоні пар тертя забезпечує визначення механізмів їх припрацюван- ня, стаціонарного періоду оптимального функціонування та стадії відмов, що в свою чергу надає повну інформацію, необхідну для пі- двищення ресурсу роботи вузлів тертя в цілому. Останнє ж є однією з головних вимог, що висуваються до сучасних машин та механіз- мів, як на стадії їх проектування, так і в умовах експлуатації. Ефект «вибірного перенесення» елементів у межах контактної зо- ни тертя пари бронза–сталь, що супроводжується появою «мідного» відтінку на спряжених поверхнях сталі та бронзи, а також одночас- ним зменшенням коефіцієнта тертя та інтенсивности зношування цієї пари, був визнаний як відкриття [3] і сформульований його ав- торами як «явище вибірного перенесення міді з твердого розчину мі- дного стопу на сталь та зворотного її перенесення зі сталі на мідний стоп, що відбувається під час тертя мідних стопів зі сталлю в умовах межового змащування, яке виключає окиснення міді». За результа- тами наступних різноманітних досліджень, виконаних різними тво- рчими колективами, є усталеним, що внаслідок вказаного ефекту на поверхні сталі, так само як і на мідному стопі, утворюється плівка на основі міді («сервовитна плівка») товщиною 1–2 мкм [2, 4, 5]. Не- зважаючи на давність сформульованої наукової проблеми та значний обсяг проведених у 80-х роках у Радянському Союзі науково- дослідних робіт, ще й на сьогодні залишаються відкритими питання про причини вузького температурного діяпазону, в якому ефект «ви- бірного перенесення» достовірно спостерігається [4], а також щодо закономірностей утворення компонентного складу «сервовитної плі- вки» [6], недостатнє знання яких обумовлює ймовірність псевдоіден- тифікації вказаного ефекту в наукових експериментах і обертається неприпустимими помилками в інженерній практиці. В насосах та гідроприводах гідравлічних систем, інших агрега- тах авіяційної техніки та машинобудування (наприклад, букс-шток амортизаційної стійки, втулкашток силового циліндра тощо) пра- цює трибологічна пара бронза–сталь за умов межового змащування в середовищі гідрорідини АМГ-10 або її мастильних аналогів. Практична значущість наукового вивчення процесів тертя та зно- шування цієї пари доповнюється актуальністю нерозв’язаних пи- тань вищевказаної наукової проблеми. Метою даної роботи стало дослідження особливостей локальної взаємодії та механохемічних перетворень мікроструктури спряже- ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 87 них ділянок поверхонь тертя сталі та бронзи в умовах прояву ефек- ту «вибірного перенесення» [3] на прикладі класичної трибологіч- ної пари бронза–сталь у гідрорідині АМГ-10. 2. ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ Властивості трибологічної пари бронза (зразок)сталь (контртіло) досліджували для випадку бронзи Бр.АЖМц10-3-1,5 та сталі ШХ15 за умов однобічно направленого ковзання в середовищі гід- равлічної оливи АМГ-10 за кінематичною схемою «площина (то- рець рухомого бронзового кільця)площина (торець стаціонарно закріпленого сталевого кільця)» на розробленому лабораторному пристрої торцевого тертя. Торець бронзового кільця (зразок) виго- товляли, роблячи відповідні прорізи, у вигляді рівномірно розта- шованих вздовж периметру кільця трьох рівних за площею та гео- метрією секторів із забезпеченням сталої ширини доріжки тертя 2 мм та коефіцієнта перекриття поверхонь зразка та контртіла в парі тертя (відношення площі поверхні тертя зразка до повної площі змінної поверхні тертя контртіла), що дорівнював 0,25. Поверхню тертя зразка притискали до поверхні тертя контртіла з осьовим на- вантаженням 200 Н, за якого номінальне питоме навантаження ко- нтактної зони тертя складало 5 МПа. Задавали сталу швидкість обертання бронзового кільця (зразка) 2200 хв 1, за якої лінійна швидкість ковзання в контактній зоні тертя пари складала 2,9 м/с. Використовуючи спеціяльну тензосистему, зв’язану з нерухомо за- кріпленим контртілом, вимірювали силу тертя пари бронза–сталь. Оцінювали інтенсивність зношування пари. Під час експериментів застосовували систему регульованого охо- лодження пари тертя потоком повітря. Система забезпечувала ста- білізацію температури максимального саморозігрівання пари тертя на заданій межі в діяпазоні 50–125С. «Зразок», як кінематичний елемент пари тертя бронза–сталь, виготовляли з каліброваного прутка алюмінієво-залізо-манґанової бронзи Бр.АЖМц10-3-1,5. В промисловості з неї виготовлюють різ- ного типу відповідальні деталі (втулки, шестерні, підшипники). Як «контртіло» досліджуваної пари тертя використовували спеціяльно відібрані підшипникові кільця зі сталі ШХ15 (НRС 58-60). Як ві- домо, на відміну від конструкційних сталей, які піддають, загалом, високому відпусканню після гартування, леґована хромом підшип- никова сталь експлуатується в високоміцному стані — після гарту- вання на мартенсит та низькотемпературного відпускання. Для змащування пар тертя використовували зразки авіяційної гідравлічної оливи АМГ-10, яку виробляють на основі малов’язкої глибоко деароматизованої нафтової фракції. Після операцій гідро- крекінґу вуглеводнева база оливи АМГ-10 складається з нафтено- 88 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА вих та ізопарафінових вуглеводнів. Вона загущується високомоле- кулярним додатком «Вініпол», також до неї додається антиокис- нювальний додаток та спеціяльний хемічно інертний органічний фарбник. Відомо, що застосовувана в гідросистемах літаків у якості гідрорідини олива АМГ-10 сприяє ефекту «вибірного перенесення» в парах бронза–сталь [2]. Для експерименту важливо, що гідрорі- дина АМГ-10 є органічним середовищем. Після експерименту елементи пари бронза–сталь відмивали від залишків оливи в ізопропиловому спирті з метою подальшого дос- лідження. Поверхні тертя бронзи та сталі вивчали методами оптич- ної мікроскопії на приладі Неофот-21, растрової електронної мікро- скопії та рентґенівської енергодисперсійної мікроаналізи на прила- ді SELMI РЕМ-106 І (Україна), електронної Оже-спектроскопії на Оже-мікрозонді JEOL JAMP-10S. Оже-спектри записували в диференційному режимі dN(E)/dE за енергії первинних електронів 10 кеВ та амплітуди модуляції 4 еВ. За результатами реєстрації спектрів для вибраних ділянок повер- хонь розраховували концентрації елементів з врахуванням коефі- цієнтів відносної чутливости [7]. Для випадку рентґенівських спе- ктрів відносні концентрації елементів у поверхневому шарі розра- ховували за подібним принципом, оцінюючи як міру концентрації елементу амплітуду його характеристичної спектральної лінії. Профілі розподілу концентрацій елементів у поверхневих шарах бронзи та сталі досліджували методом Оже-спектроскопії, розпо- рошуючи обезжирені попередньо тертьові поверхні йонами арґону енергією 2 кеВ. Ефективна швидкість розпорошення поверхневого шару за товщиною складала 3 нм/хв. 3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ Трибологічні дослідження пари бронза–сталь в гідрооливі АМГ-10 відразу виявили наявність трьох закономірних періодів припрацю- вання контактної зони тертя, за яких трибологічні характеристики пари різним чином залежали від швидкости охолодження та досяг- нутої внаслідок тертя об’ємної температури саморозігрівання (див. рис. 1). Перший період, якому відповідав шлях тертя до 2,5 км, ха- рактеризувався практично однаковою тенденцією зміни коефіцієн- та тертя від шляху в діяпазоні значень 0,03–0,06 — початковим йо- го зростанням та наступним зменшенням. Відразу відзначимо, що вказані значення коефіцієнту є нормальними для роботи пари тертя типу сталь–сталь у межах дослідженого температурного діяпазону [8]. За наступний період (шлях тертя до 12 км) коефіцієнт тертя ся- гав мінімальної величини 0,015–0,022, властивої вже нормальному тертю пари бронза–сталь. Під час третього, останнього періоду кое- фіцієнт тертя сильно залежав від температури саморозігрівання ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 89 пари та відповідно залишався або незмінним (рис. 1, крива 1), або змінювався від вказаного мінімального до характерного для стале- вої пари тертя значення (крива 2). Отже, одержані значення коефі- цієнта тертя свідчать, що проілюстровані на рис. 1 випадки харак- теризуються відсутністю макроскопічного схоплення спряжених поверхонь контактної зони досліджуваної пари бронза–сталь впро- довж пройденого нею шляху тертя. Дослідження мікроструктури поверхонь тертя, виконані після закінчення трьох періодів припрацювання пари бронза–сталь, ви- явили у вказаних випадках наявність на поверхнях тертя як брон- зи, так і сталі «мідного» відтінку (оптичні зображення на рис. 2). Подібна візуальна характеристика найчастіше використовується в трибологічній практиці для підтвердження явища утворення «сер- воподібної» зносостійкої плівки на мідній основі водночас на пове- рхнях тертя бронзи та сталі [2, 4, 5]. Особливо близьким до класичного зовнішнього прояву ефекту «вибірного перенесення» є випадок, за якого об’ємна температура саморозігрівання пари тертя не перевищувала 50С (рис. 1, крива 1; рис. 2, а, б). Середню інтенсивність зношування зразка бронзи в цьо- му разі було обумовлено переважно першим періодом припрацюван- ня пари бронза–сталь і дорівнювала 210 4 мг/мм2 на 1 км шляху тер- тя. За описаними ознаками можна загалом [2, 4, 5] передбачати тов- щину «мідної» плівки 1–2 мкм на обох поверхнях пари тертя. Ретельні дослідження різних ділянок поверхонь тертя пари бро- нза–сталь, виконані з використанням Оже-мікрозонду, виявили нові особливості утворених поверхневих мікроструктур, загалом суттєво відмінні від очікуваних. Зважаючи на характер леґуваль- них мікродомішок, властивих металам пари тертя, прискіпливій аналізі підлягали водночас високоенергетичні та низькоенергетич- Рис. 1. Зміни коефіцієнта тертя f з шляхом тертя L пари бронза–сталь зале- жно від інтенсивности зовнішнього охолодження і, відповідно, максималь- ного саморозігрівання пари до температури: 1 — 50С, 2 — 125С. 90 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА ні ділянки спектрів, враховували перекриття та накладення спект- ральних ліній різних елементів. Результати аналізи наявности та розрахунку концентрацій мікродомішок на характерних ділянках поверхонь тертя пари бронза–сталь наведено в табл. 1. Доволі несподіваним став висновок про відсутність достатньої концентрації міді на поверхнях тертя сталі в зонах її візуально «мі- дного» відтінку. В усіх досліджених випадках, що відповідали різ- ним значенням температури саморозігрівання пари тертя, концен- трація міді в поверхневих шарах мікроструктур тертьової поверхні сталі не перевищувала 4,7 ат.% (максимальне значення одержано для випадку 50С). Водночас, концентрації заліза та кисню у вказа- них поверхневих шарах досягали значень 36–44 та 46–54 ат.% від- повідно. Навіть за умови тривалого розпорошення поверхонь тертя сталі йонами арґону, що сприяло дослідженню істотно віддалених від поверхні вглиб металу поверхневих прошарків, концентрація кисню залишалась доволі значною (табл. 1). Це засвідчило, що «мі- дний» відтінок поверхонь тертя сталі, утворених у досліджуваній парі бронза–сталь, обумовлено кольором поверхневих плівок окси- а б в г Рис. 2. Мікроструктура поверхонь тертя пари бронза (а, в)–сталь (б, г), що має візуально «мідний» відтінок, для випадків саморозігрівання пари до темпе- ратури: а, б — 50С, в, г — 125С. Стрілка вказує напрямок дії сили тертя. ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 91 дів заліза субмікронної товщини. ТАБЛИЦЯ 1. Мікроелементний склад поверхонь тертя пари бронза– сталь. Елементи Відносна концентрація, ат.% 50С 125С (мікрозона 1) 125С (мікрозона 2) Бронза Сталь Бронза Сталь Бронза Сталь (т. 1) (т. 2) (т. 1) (т. 2) На поверхні Fe 4,3 37,8 29,7  16,9 0,8 18,9 15,3 C 66,8 1,9 21,7 71,1 60,4 74,6 41,4 48,9 Cr    0,4 0,1    Ti 1,5   0,3  0,3 1,1 1,8 O 13,3 58,6 44,9 6,8 20,6 8,5 33,9 28,9 S 2,6  0,4 0,4 0,6 1,4 0,7 0,4 N 1,1 0,8 0,3 1,5 0,8 1,6 1,0 1,4 Cu 8,6  2,9 18,6  11,8 1,0 2,0 Al       1,3 0,6 Mn 1,0      0,7 0,7 Sn    0,2 0,4 0,2   Ca 0,1 0,9 0,1      Cl 0,7   0,7 0,2 0,8   Після розпорошення поверхневого шару на глибину 1370 нм 260 нм 750 нм Fe 7,7 68,3 67,7  81,3 6,2 59,4 C 18,5 3,2 3,8 12,4 6,1 4,8 5,8 Cr 2,7  0,1 0,7 2,1   Ti 1,3   0,3 0,4  1,7 O 15,9 25,9 25,0 1,0 8,3 1,9 31,2 S 5,1 0,2  1,8 0,4 1,5  N 2,1     1,1  Cu 44,9  0,4 82,0  83,4 1,9 Al  1,8 2,4 1,8 1,1   Mn  0,6    1,1  Sn   0,6     Ca 1,8       Cl     0,3   Характерні перегини лінії спектру свідчать про наявність «сліду» мікродомішки, концентрація якої може сягати 2,5 ат.%, але не може бути оцінена внаслідок пе- рекриття різних спектральних ліній елементу з відповідними сусідніми інтенсив- ними лініями інших елементів. 92 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА У порівнянні зі сталевими спряжені мікроділянки поверхонь те- ртя бронзи в усіх випадках є значно менш окисненими (табл. 1). Натомість вони насичені вуглецем, концентрація якого залишаєть- ся значною в межах поверхневого шару мікронної товщини та в де- кілька разів вищою за концентрацію кисню. Суттєве насичення в парах тертя поверхневого шару мідних стопів вуглецем, не зважаючи на відсутність чисто хемічної взаємодії між ним та міддю, раніше вже виявляли в [9–11]. Очевидно, що ця обста- вина й обумовлює відновлений хемічний стан міді в поверхневих шарах бронзи, властивий ефекту «вибірного перенесення» в парі бронза–сталь згідно з класичними механізмами цього явища [2–5]. Другий несподіваний результат дала аналіза змін складу мікро- домішок у поверхневих шарах бронзи. Дані, наведені в табл. 1, сві- дчать про наявність у всій мікронній товщині досліджуваних пове- рхневих шарів бронзи поряд з йонами вуглецю також карбідотвір- них елементів хрому та титану, притаманних у даній парі тертя ви- ключно сталі ШХ15. Водночас, у цих поверхневих шарах виявлено значно зменшені концентрації «рідних» домішок бронзи БрАЖМц, таких як алюміній та манґан. Натомість концентрація домішки за- ліза суттєво збільшена. Причини присутности карбідотвірних еле- ментів сталі та підвищеної концентрації заліза в «глибинних» по- верхневих шарах бронзи потребують детальнішої аналізи. Відповідно, на мікроділянках поверхонь тертя сталі спостерігає- мо збіднення на хром та, певною мірою, вуглець (відносно його об’ємної концентрації 4,3–4,7 ат.%). У випадку підвищення темпе- ратури саморозігрівання пари реєструємо суттєве збільшення кон- центрації титану та в межах окремих фаз хрому (табл. 1, мікрозона 1). У межах мікрозон, де не зафіксовано наявности хрому, спосте- рігаємо сеґреґацію манґану (точки 1 для обох температур), який, однак, може бути перенесеним у поверхневий шар сталі також як мікродомішка бронзи. На можливість останнього вказує наявність у деяких точках поверхні тертя сталі характерної для даної бронзи мікродомішки цини (табл. 1). Паралельно з усіма вказаними мікродомішками в поверхневих шарах обох стопів у зоні тертя зареєстровано присутність у певних концентраціях мікродомішок сірки, кальцію та хлору (табл. 1), що можуть надходити з зон неконтрольованих забруднень поверхонь пари тертя та оливи, а також від фарбника останньої. Сірка, однак, є в певних межах (до 0,03 ат.%) допустимою мікродомішкою сталі ШХ15, але в найбільших концентраціях зафіксована в поверхневих шарах бронзи (до 6,4 ат.% у випадку 50С). Азот, найімовірніше, є наслідком впливу антиокисненого додатку до оливи. Інші можливі леґувальні мікродомішки даної пари бронза–сталь (Zn, Pb, Ni, Si, P) в підвищених концентраціях не виявлено, хоча неявні сліди трьох останніх з них реєстрували на окремих межах різних фаз по- ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 93 верхонь тертя сталі (Ni, P) та бронзи (Si, P). За результатами виконаної Оже-аналізи мікроелементного скла- ду поверхонь тертя пари бронза–сталь за умов її тертя, найсприят- ливіших для ефекту «вибірного перенесення» (випадок 50С), наву- глецьований поверхневий шар бронзи є збагаченим на карбідотвір- ні мікродомішки сталі (Cr, Ti, а також Fe) та збідненим на власні мікродомішки (Al, Mn), а окиснений поверхневий шар сталі, хоча й меншою мірою, збагачений на мікродомішки бронзи (Al, Sn, Mn, а також Cu) та збіднений на власні мікродомішки (Cr, С). Отже, передбачувані товсті поверхневі плівки міді на сталевих поверхнях тертя, наявність яких означала б їх теоретично «беззно- шувальний» стан, не утворюються навіть за оптимальних умов реа- лізації ефекту «вибірного перенесення» в контактній зоні дослі- дженої пари бронза–сталь. Натомість, має місце взаємне перене- сення елементів спряжених поверхонь контактної зони з однієї на іншу без утворення на кожній з них плівок іншого металу. Радше варто стверджувати про утворення в контактній зоні тертя доволі товстої (мікронної та субмікронної товщини) та високо концентра- ційної поверхневої плівки вуглецю, що розчинює інші елементи, або, щонайменше, плівки сильно навуглецьованих поверхневих структур. Для подальшого дослідження механізмів механохемічного утво- рення поверхневих шарів пари бронза–сталь проілюструємо попе- речний розподіл концентрацій їх головних елементів у межах кон- тактної зони тертя. Профілі цих концентрацій для спряжених у ко- нтактній зоні поверхневих мікроділянок бронзи та сталі побудуємо в протилежних від межі поділу напрямках (рис. 3). Ефективну локальну температуру контактної зони на якісному рівні характеризує, загалом, ступінь окиснення поверхневого шару сталі, яка зростає зі співвідношенням концентрацій кисню та заліза (рис. 3). Відзначимо, що на мікроконтактах, яким відповідають мі- крозони 1 та 2 з різним ступенем окиснення (випадок об’ємної тем- ператури пари тертя 125С), було досягнуто різних значень ефекти- вних локальних температур. Наведені на рисунку 3 профілі ілюструють явну тенденцію зме- ншення сумарної товщини навуглецьованих поверхневих шарів контактної зони бронза–сталь майже в 5 разів внаслідок підвищен- ня об’ємної температури цієї пари тертя на 75 градусів (від 50 до 125С). Водночас, відповідно зменшується загальна товщина меха- нохемічно утвореного поверхневого шару на поверхні тертя бронзи (зразка) та збільшується товщина механохемічно модифікованого оксидного поверхневого шару сталі (контртіла). Характерне суттєве зменшення товщини модифікованого повер- хневого шару на поверхні «зразка» за умови відносно незначного підвищення його об’ємної температури в межах приблизно того ж 94 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА температурного інтервалу (75–110С) раніше спостерігали на зраз- ках загартованої сталі ШХ15 для пар тертя сталь–сталь [12]. Порі- внюючи ці явища для пар бронза–сталь та сталь–сталь, можемо, принаймні, припустити, що вони не пов’язані з якимись особливи- ми властивостями бронзи. Аналіза профілів розподілу елементів (рис. 3) виявила характер- ні, спрямовані на взаємну компенсацію синхронні сплески та зме- ншення концентрацій вуглецю та міді в об’ємі механохемічно мо- дифікованих поверхневих шарів як бронзи, так і сталі. Ці сплески слабко залежали від наявности та концентрації інших мікродомі- шок у межах одного й того ж модифікованого поверхневого шару. Проілюструємо це явище для випадків, відображених на рисунку 3, Рис. 3. Концентраційні профілі елементів у поверхневих шарах пари брон- за (напрямок вправо)–сталь (вліво) для випадків її саморозігрівання до температури 50С (а) та 125С (мікрозони 1 (б) та 2 (в)). КЗТ — межа поділу між зразком та контртілом у контактній зоні ; h — відстань від КЗТ. ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 95 своєрідною фазовою діяграмою поверхневого шару бронзи, побудо- ваною у вигляді кореляційних залежностей між концентраціями домішок та концентрацією міді (рис. 4). Для значень концентрації міді, вищих за  15 ат.%, наведені на рисунку 4 точкові залежності 1–6 добре екстраполюються прямолі- нійними залежностями 7–12, які описуються системою лінійних рівнянь (1)–(3): CC(h)  C0Fe(T)  CCu(h), (1) C(h)  C0(T), (2) C0Fe(T)  C0(T)  100, (3) де вказаним величинам CC(h), CCu(h) та C(h) відповідають атомарні концентрації вуглецю, міді та суми концентрацій решти елементів у поверхневих шарах бронзи на відстані h від межі поділу зі сталлю в контактній зоні тертя; C0Fe(T) та C0(T) — незмінні в межах одного поверхневого шару величини концентрацій двох різних складних мікроструктурних фаз, значення яких змінюються нелінійно від зміни ефективної локальної температури Т на мікроконтактах зони тертя. Рівняння (1) встановлює лінійні залежності між концентраціями вуглецю та міді у складі першої з мікроструктурних фаз (рис. 4, ек- Рис. 4. Фазова діяграма поверхонь тертя бронзи — кореляційні залежності між концентрацією вуглецю (1, 3, 5), сумарною концентрацією всіх вияв- лених елементів за виключенням міді та вуглецю (2, 4, 6) та концентраці- єю міді СCu. Температура саморозігрівання пари: 50С (1, 2); 125С (мікро- зони 1 (3, 4) та 2 (5, 6)). Екстраполяційні прямі (7–12) описуються рівнян- нями (1)–(3). 96 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА страполяційні прямі 7, 9, 11). В межах поверхневих прошарків, де ці залежності підтверджуються (рис. 4), ще якихось кореляцій між концентраціями вуглецю, міді та інших елементів не виявлено. Всі зміни концентрацій решти (за виключенням вуглецю) виявлених домішок бронзи взаємно компенсуються в межах приблизно сталої для відповідних поверхневих прошарків сумарної концентрації (концентрації другої мікроструктурної фази), що описується рів- нянням (2) (рис. 4, екстраполяційні прямі 8, 10, 12). Отже, в поверхневих шарах бронзи під час тертя в парі бронза– сталь утворена подібна до композиційної структура тонкого конґло- мерату фаз [13, 14], у якій одна з фаз утворюється, ймовірно, нанос- копічною (можливо, ізоморфною) сумішшю міді та вуглецю, приро- да якої ще підлягає дослідженню, а друга — сумішшю сполук решти мікродомішок поверхневого шару. Співвідношення між цими мікро- структурними фазами, яке характеризується співвідношенням ве- личин C0Fe(T) та C0(T) в рівняннях (1)–(3), змінюється в залежності від ефективної температури мікроконтакту зони тертя. Значення вказаних величин, розраховані за результатами екстраполяції екс- периментально визначених концентрацій елементів (табл. 1, рис. 3 та 4), наведено в таблиці 2. Відзначимо, що значення C0(T), одержа- не за умов перебігу ефекту «вибірного перенесення» (рис. 3, а), хара- ктеризує найоптимальнішу концентрацію зміцнювальної фази з по- гляду на властивості композиційного матеріялу [15]. Аналіза даних, наведених у табл. 2, виявляє зовнішню аналогію між співвідношеннями мікроструктурних фаз у тертьовому шарі бронзи та співвідношеннями концентрацій металу та вуглецю в - карбіді сталі мартенситного класу, спеціяльному карбіді (оксиді) типу Ме6С (Ме6О) та в базовому матеріялі контртіла — сталі ШХ15. Подібна зовнішня аналогія може, однак, бути обумовлена внутріш- німи механізмами, зокрема синхронним перебігом декількох про- цесів: передбачуваного теорією «вибірного леґування» електрохе- мічного заміщення елементів у певних поверхневих мікрострукту- рах контактної зони тертя пари бронза–сталь [2, 4, 5]; механохемі- чного окиснення та утворення «вторинної структури» оксидно- ТАБЛИЦЯ 2. Експериментально визначені значення C0Fe(T) та C0(T) в рі- вняннях (1)–(3). Тип контактної зони C0Fe(T), ат.% C0(T), ат.% Концентрація елементів в матеріялах, ат.% Fe1,95C Ме6C (Ме6О) Сталь ШХ15 Fe C Me C, О Fe  Cr C Рис. 3, а 66,1 33,9 66,1 33,9 Рис. 3, б 95,5 4,5 95,5 4,5 Рис. 3, в 85,7 14,3 85,7 14,3 ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 97 подібного типу в поверхневому шарі сталі [1]; механохемічного утворення в поверхневому шарі сталі [16], крихкого (квазикрихко- го) руйнування в контактній зоні тертя та перенесення зі сталі на бронзу мікроструктурних фраґментів карбідного типу. Останній з вказаних мікропроцесів може обумовлювати утворен- ня в поверхневому шарі бронзи характерної для поверхні карбідних мікропластин структурної матриці двомірного типу [17], елемент- ний склад якої далі видозмінюється під впливом електрохемічного (першого з вказаних) мікропроцесу. Зважаючи на дані табл. 2, а та- кож на результати попередніх робіт [8, 12] з дослідження мікро- структури поверхонь тертя сталі ШХ15, можна гіпотетично уяви- ти, що ефект «виділення» поверхнею цієї сталі карбідної мікро- структури в контактній зоні пари бронза–сталь синхронізує перебіг інших вказаних мікропроцесів. З метою підтвердження та наступного дослідження структурних аспектів цього явища відібрані зразки поверхонь тертя пар бронза– сталь далі дослідили методою електронно-растрової мікроскопії та рентґенівської енергодисперсійної мікроаналізи (рис. 5, табл. 3). На рисунку 5 проілюстровано мікроструктуру поверхонь тертя сталі та бронзи для випадку температури саморозігрівання пари до температури 50С (випадок рис. 3, а). Результати дослідження еле- ментного складу поверхонь тертя, виконаного для пронумерованих мікроділянок, наведено в табл. 3. Нажаль, технічні характеристи- ки аналізатора не дозволили дослідити в даному разі одну з голов- них домішок — вуглець. Аналіза мікроструктури поверхонь тертя сталевого контртіла (рис. 5, а) виявляє наявність квазиперіодичних смуг ковзання різ- ного масштабного рівня (мікроструктури А, Б, В [12]). Вважається [12], що мікроструктура В, яка характеризується субмікронною (0,2–0,7 мкм) періодичністю поперечного рельєфу, походить від тонкоплівкової структури плівок -карбіду заліза, який виділяєть- ся на поверхні мартенситного зерна сталі ШХ15 внаслідок кінетич- ного розкладу структури мартенситу [8]. Масові «обривання» мік- росмуг В на фронті сил тертя (обведено колом на рис. 5, а) є наслід- ком крихкого руйнування поверхні сталі. Результати дослідження зони обривання мікросмуги В (рис. 5, б, табл. 3, мікроділянки 1, 2, 3) засвідчують наявність підвищеної концентрації хрому, титану та кремнію, а також відсутність слідів міді. Відомо, що карбідотвірні елементи (наприклад, молібден [12]) стабілізують плівки мікроструктури В на поверхні тертя сталі. Осо- бливо високу (в 3,5 рази вищу за об’ємну) концентрацію хрому спо- стерігали в торці обірваної мікросмуги В (рис. 5, б, мікроділянка 2), що може свідчити про вплив хромвмісних спеціяльних карбідів сталі на крихке поперечне розтріскування мікросмуг такого типу. Переріз досліджуваної мікросмуги (рис. 5, б) має близьку до трику- 98 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА тної форму з шириною основи близько 1,1 мкм та висотою 0,7 мкм. У випадку поверхонь тертя бронзи їх мікроструктура також, за- галом, характеризується наявністю квазиперіодичного рельєфу мі- кросмуг ковзання. Але аналіза її морфології засвідчила, що це на- ведена (відтиснута) структура [8] з періодичністю поперечного мік- рорельєфу, характерного для мікросмуг Б сталевої поверхні тертя [12]. Виявлено наявність темних та світлих (згідно контрасту в ре- жимі реєстрації вторинних електронів) поверхневих зон (рис. 5, в, а б в г д е Рис. 5. Мікроструктура поверхонь тертя сталі ШХ15 (а, б) та бронзи БрАЖМц 10-3-1,5 (в–є) для випадку саморозігрівання пари бронза–сталь до температури 50С. Стрілки (а, в) — напрямок дії сили тертя. Мікроді- лянки 1–9 — зони мікроаналізи (табл. 3). ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 99 табл. 3, мікроділянки 4, 5). Фаза, що мала візуально «мідний» від- тінок (рис. 2, а) та була досліджена (табл. 1, рис. 3, а) методою Оже- спектроскопії, відповідає темній зоні (рис. 5, в, мікроділянка 4). Мікроструктури темної та світлої зон характеризуються різним ро- зміром основних зерен (мікроділянки, подібні до мікроділянки 7), який коливається в діяпазонах 0,24–0,31 мкм для темної та 0,41– 0,51 мкм для світлої зони. На поверхні тертя бронзи поряд з основними зернами в субмік- ронному масштабі (рис. 5, г–є) виявляємо місцями упорядковано розташовані (рис. 5, д) сліди перенесення фраґментів крихкого руйнування характерної для сталі мікроструктури В (мікроділянки поверхні темніші за основні зерна бронзи, подібні до мікроділянок 6 та 9). Вважаємо, що причинно-наслідковий зв’язок вказаних фра- ґментів з карбідними мікроструктурами сталі підтверджує підви- щена концентрація в них хрому та заліза (табл. 3). На мікровиступах рельєфу вказані фраґменти (рис. 5, г) окислю- ються та змінюють свій елементний склад, ймовірно, внаслідок ізоморфних [18] електрохемічних заміщень (мікроділянка 8). Роз- мір фраґментів коливається в діяпазоні 0,40–0,64 мкм (рис. 5, д), але також може сягати величини 1,1 мкм (рис. 5, є, мікроділянка 9). Зроблені оцінки корелюють з характеристиками мікрострукту- ри В [12] та геометрією обірваних мікросмуг ковзання сталі ШХ15 (рис. 5, б). Перенесені мікрофраґменти, загалом, орієнтовані в на- прямку дії сил тертя (рис. 5, є). ТАБЛИЦЯ 3. Склад мікроділянок тертьових поверхонь пари бронза–сталь (рис. 5). № мікро- ділянки Відносна концентрація елементів, мас.% Fe С Cr Si Ti Cu Al Mn O Решта 1 95,9 2,2 0,5    0,4 1,0  2 86,7 5,2 1,3 2,1   0,4 3,9 0,4 (S) 3 95,4 1,5 1,1 0,9   0,5 0,6  4 10,5 0,5 0,5 0,6 67,5 12,2 1,6 6,3 0,3 (S) 5 4,1 0,3 0,8  80,6 10,8 1,7 1,3 0,4 (S) 6 2,5 10,9   70,1 8,0 1,2 7,0 0,3 (S) 7 2,3 0,3   83,1 11,8 1,5 1,0  8 9,3 0,3 1,0  71,6 10,6 1,6 4,8 0,8 (S) 9 30,9 0,5 1,3 0,9 49,6 12,4 2,8 1,4 0,2 (S) ШХ15 (ГОСТ 801-8) 95,9– 97,4 0,95– 1,05 1,30– 1,65 0,17– 0,37 до 0,01 до 0,25  0,2– 0,4 до 0,0015 до 0,347 (Ni, S, P) БрАЖМц 10-3-1,5 (ГОСТ 18175-78) 2–4   до 0,1  82,7– 88,0 9– 11 1–2  до 0,19 (Sn, Zn, Pb, P) http://www.ukrtop.info/gost/gost_start.php?gost_number=801 100 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА Невірно вважати, що перенесення карбідних фраґментів відбува- ється внаслідок мікросхоплень між відображеними на рис. 5, а, б мікроділянками сталевої поверхні та спряженими до них у контак- тній зоні мікроділянками поверхні тертя бронзи (рис. 5, г–є), так як тоді спостерігали б значно масштабніше (на 1–2 порядки) руйну- вання мікросмуг ковзання сталі [1], і воно ініціювалось би не на фронті сил тертя, а на виході мікросмуг з зони мікроконтакту (що відповідало б області максимального локального розігрівання цієї мікрозони). Однак детальніша аналіза мікроструктури поверхні бронзи виявляє, що перенесені фраґменти карбідних сполук міцно зчеплені з поверхнею бронзи, створюють, очевидно, зносостійкі мі- кроділянки, під захистом яких виникають конґломерати фаз осно- вних зерен бронзи, витягнуті внаслідок деформації в напрямку тер- тя (рис. 5, г, д). 4. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ Одержані в цій роботі результати та досягнутий рівень досліджень формально не суперечать формулі відкриття вище охарактеризова- ного явища «вибірного перенесення» [3], оскільки вона не відзначає характеристик «сервовитної плівки», утворюваної під час тертя на сталевій поверхні. Атомарні механізми ефекту «вибірного перене- сення» елементів все ще залишаються відкритими для подальших досліджень, але суттєво доповнюються одержаними в роботі нови- ми результатами стосовно принципової ролі карбідних перетворень сталі та перенесення карбідних фраґментів на поверхню бронзи. Отже, властивості утвореної внаслідок подібного перенесення та наступних перетворень «сервовитної плівки» на поверхнях сталі та бронзи набувають нового сенсу. Незважаючи на відсутність на сталевій поверхні тертя перенесе- ної плівки, утвореної на мідній основі в умовах найоптимальнішо- го, за класичними феноменологічними ознаками, перебігу процесів «вибірного перенесення» (рис. 2, б та рис. 3, а), на ній все ж таки спостерігається певна концентрація катіонів міді (до 4,7 ат.% в ма- ксимумі). Ця концентрація та відносно тонкий прошарок механо- хемічно утвореної структури (до 0,3 мкм) пояснюють чому мідь у даному разі достовірно (з врахуванням співвідношення сигнал– шум на спектрах) не виявлено методою рентґенівської мікроаналі- зи (табл. 3). Для інших випадків, за яких коефіцієнт тертя пари бронза–сталь суттєво зростає (рис. 1, крива 2), концентрація міді в поверхневих шарах сталі за результатами Оже-аналізи ще менша (рис. 3, б, в). Але глибина її проникнення в поверхневий шар сталі сягає 0,8 мкм. З’являються «сліди» ліній міді також на рентґенів- ських спектрах. На профілях розподілу елементів спостерігаються характерні «пікові» сплески концентрації міді (до 1,5–4,5 ат.% в ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 101 максимумі сплеску) та відповідна зміна концентрації вуглецю в сталі (рис. 3, б, в). Це свідчить про негомогенну нанорозмірну внут- рішню будову механохемічно утвореного окисненого поверхневого шару сталі. Як вже стає зрозумілим з експериментального дослідження пар тертя, виготовлених із загартованої на мартенсит сталі, нерівнова- жні процеси структурної перебудови, що характеризуються появою мікроструктури В, яка походить від тонкоплівкової структури плі- вок -карбіду заліза, відіграють суттєву роль [8, 12]. Мікрострукту- ра В «виділяється» на поверхні мартенситного зерна під тиском у контактній зоні внаслідок кінетичного розкладу структури мартен- ситу. Підвищення ефективної температури зони тертя вище темпе- ратури інтенсифікації розкладу мартенситу (80–100С) полегшує утворення поверхневих плівок -карбіду за межами мікроконтактів до такої міри, що внаслідок їх подальшого окиснення та перетво- рення [16, 19] мікроструктура В з поверхні тертя, практично, зни- кає [12]. Для випадку досліджуваної пари «бронза–загартована на мартенсит сталь» подібні процеси структурної перебудови поверх- невого шару сталі обумовлюють зміну структури всієї контактної зони (рис. 3), включаючи мікроструктуру поверхневого шару брон- зи (табл. 2). Аналіза свідчить, що утворення «сервовитної плівки» на поверхні тертя бронзи корелює з виділенням тонких плівок - карбіду на поверхні сталі і критична залежність останнього процесу від температури [20] може бути причиною вузького температурного діяпазону ефекту «вибірного перенесення» для даної пари тертя. Особливим є питання про накопичення вуглецю в поверхневому шарі бронзи (рис. 3). Незважаючи на виявлене нами перенесення карбідних фраґментів з поверхні сталі, концентрацію вуглецю не можна пояснити їх нагромадженням, так як для основної зеренної структури бронзи за відносно малої концентрації міді в околі її по- верхні залізо, хром та інші карбідотвірні елементи сталі зареєстро- вано тільки як мікродомішки (рис. 3 та 4). Згідно з результатами досліджень [11] активним джерелом атомізованого вуглецю в кон- тактній зоні є вуглеводневе середовище, і цей вуглець нарівні з ат- мосферним киснем стає однією з головних леґувальних домішок, що обумовлюють зміни властивостей поверхонь металів різної при- роди внаслідок тертя, в тому числі поверхонь мідного стопу. Кислі властивості вуглеводневого середовища посилюють процеси навуг- лецювання. Гідроолива АМГ-10 (кислотне число 0,02 мгКОН/г) створює слабко кисле середовище, кислотність якого збільшується внаслідок механохемічного окиснення. Отже, з огляду на значну концентрацію вуглецю (рис. 3), головним джерелом навуглецюван- ня поверхневого шару бронзи в дослідженій парі бронза–сталь є ву- глеводневе середовище. До подібного ж висновку дійшла група дос- лідників [21], але нею роль вуглецю в подібних процесах була недо- 102 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА оцінена. Навуглецювання бронзи піднімає питання про механізми меха- нохемічних процесів окиснення–відновлення матеріялів контакт- ної зони. Зокрема, зауважимо доволі значне накопичення мікродо- мішки титану (табл. 1 та 3) в товстих поверхневих прошарках брон- зи, хоча його базова концентрація в сталі ШХ15 мінімальна (табл. 3). Ця обставина зумовлена не найвищою твердістю карбіду титану ТіС серед решти сполук контактної зони, а, найімовірніше, його стійкістю, пов’язаною, окрім споріднености зі сталевою матрицею, також з ізоморфізмом атомів вуглецю, кисню та азоту в твердих ро- зчинах цього карбіду [18]. Окрім того, вважається можливим від- новлення титаном оксидів заліза з утворенням титанатів типу Fe3Ti3O, що мають структурний тип Fe3W3C [22]. Останнє є цікавим з погляду на кореляції, відображені в табл. 2 (для рис. 3, в). Як і в попередньому випадку сталевої поверхні, у складі поверх- невого шару бронзи вуглець та мідь поводять себе антагоністично — витісняють одне одного (рис. 4). Сплески концентрацій міді (рис. 3, б) та вуглецю (рис. 3, г) в межах поверхневого шару бронзи свідчать про його складну будову та наявність у ній субмікронних конґломе- ратів суміші міді та вуглецю, на межах яких має місце сеґреґація одного з компонентів мідь–вуглець. Відзначимо, що підвищення ефективної локальної температури на мікроконтактах пари брон- за–сталь обумовлює зменшення характерного розміру вказаних конґломератів та змінює властивості їхніх меж. За умов, феноме- нологічно сприятливих ефекту «вибірного перенесення», на межах конґломератів спостерігаємо сеґреґацію атомів міді. З інтенсифі- кацією процесів окиснення концентрація мікродомішок у навугле- цьованому поверхневому шарі бронзи різко зменшується, але на межах конґломератів концентрація міді залишається підвищеною (рис. 3, б). Це, на нашу думку, свідчить, що фізико-хемічна природа самих конґломератів суміші мідь–вуглець до певної температурної межі залишається подібною, а загальна концентрація мікродомі- шок в поверхневому шарі бронзи зумовлюється мікроструктурними процесами в поверхневому шарі сталі (табл. 2). Подальше підвищення ефективної температури на мікроконтак- тах обумовлює не тільки зменшення розмірів конґломератів мідь– вуглець у поверхневому шарі бронзи, але й кардинальну зміну їх природи. На межах конґломератів реєструємо вже не сеґреґацію міді, а сеґреґацію вуглецю (рис. 3, в). Ймовірно, що так звана «сер- вовитна плівка», яка обумовлює згідно теорії ефекту «вибірного пе- ренесення» [2, 4, 5] особливі властивості пари тертя бронза–сталь, за цих умов зникає. Характерною виявленою в роботі ознакою поверхневих прошар- ків бронзи є та, що після суттєвого зменшення концентрації вугле- цю на значній (мікронній) відстані від поверхні починають зростати ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 103 концентрації мікродомішок карбідотвірних елементів сталі (Сr, Ti), а також заліза. Концентрації мікродомішок значно перевищують їх величини в самій сталі (табл. 1), а концентрація атомів заліза знач- но більша за їх допустиму концентрацію в бронзі (табл. 1 та 3). Вод- ночас, концентрації інших леґувальних елементів бронзи зменше- ні. Отже, під «сервовитною плівкою» внаслідок розпорошення йо- нами арґону поверхневого шару бронзи в вакуумі досягаються такі концентрації карбідотвірних елементів та вуглецю, які характерні для карбідних фаз сталі ШХ15. Відомо, що перенесення кристалічних наночастинок «міцної» сталі (з ефективним діяметром 3–30 нм) на поверхню різноманіт- них стопів міді і утворення на їх поверхнях «механічної суміші кристалітів» обох спряжених металів відбувається вже в початко- вий період тертя (в діяпазоні 2–12 м шляху тертя) ще до появи пер- ших частинок зношування. Ці спостереження було зроблено ще в період перших інтенсивних мікрорентґеноспектральних дослі- джень проблеми [6]. Автори [13], зокрема, також відштовхуються від подібних результатів та розвивають теорію утворення мікроко- мпозитного стану поверхневих шарів мідних стопів у контактній зоні. Проте мікроаналізатори того часу ще не реєструють більшости легких елементів, серед яких вуглець. Наступні періоди дослі- джень також не піднімають питання про важливість вуглецю як можливої основи «сервовитної плівки». Здебільшого вважається, що «вуглець» це молекули вуглеводневого середовища, які прони- кають у мікро- та нанопори останньої [2]. Зроблені висновки обумовлюють гіпотезу про те, що відмічена раніше (табл. 2) зовнішня аналогія між співвідношеннями мікро- структурних фаз у тертьовому шарі бронзи та співвідношеннями концентрацій металу та вуглецю в мікроструктурах поверхневого шару сталі є пов’язаною з процесами перенесення мікроструктур- них карбідних фраґментів сталі на поверхню бронзи в першому пе- ріоді тертя, коли починає спостерігатися характерне вже не стільки для пари бронза–сталь, як для пари сталь–сталь значення коефіці- єнта тертя 0,03–0,06 (рис. 1). Зародки заданої карбідними фраґме- нтами двовимірної структури [17] призводять у другому періоді те- ртя до подальшого утворення «сервовитної плівки» внаслідок стру- ктурно орієнтованого «вибірного перенесення» атомів міді на пове- рхню бронзи та їх взаємодії з молекулами мастильного матеріялу. Тому можна стверджувати, що ця плівка утворюється не в об’ємі металу, а на металі. Мікронна товщина «плівки», її різке зменшен- ня (рис. 3) внаслідок підвищення температури в температурному діяпазоні інтенсифікації розкладу мартенситу (відповідає діяпазо- ну першого перетворення під час відпуску [20]) свідчать про важли- вість не одноразового, а багаторазового впродовж тертя перенесен- ня карбідних фраґментів (рис. 5, д, є) і, ймовірно, їх графітизацію в 104 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА утворюваному поверхневому шарі. Специфічний вплив острівців графіту на структуру поверхневих шарів металу є відомим [23], не- дослідженою є ймовірність утворення в межах поверхневого шару мідних стопів упорядкованих вуглецевих структур, вуглецевих на- нотрубок тощо. Про можливість подібного складного механізму виникнення мі- кроструктури «сервовитної плівки» свідчать результати різномані- тних досліджень. Зокрема, атоми міді, що запорошують у вакуумі «кислу» підложжя KCl з незначною щільністю центрів кристаліза- ції, утворюють здатну до «самозбирання» сітчасту структуру, яка з наступним її запорошенням аморфним шаром вуглецю стабілізу- ється настільки, що далі придатна для досліджень після розчинен- ня підкладки [24]. Під впливом механічних напружень ймовірним є наступний розвиток комірчасто-дендритних структур, як це від- бувається, наприклад, у ніклевих стопах [25], та утворення на на- норівні структури, характерної для композиційного матеріялу [15]. «Сервовитна плівка» перш за все локалізується на поверхні брон- зи, а її «адгезійне» перенесення на сталь суттєво залежить від влас- тивостей поверхні останньої. Практична відсутність цієї плівки на поверхні сталі для дослідженої пари тертя пояснюється високонап- руженою мартенситною структурою загартованої сталі ШХ15. Утворення та інтенсивне відшарування плівок -карбіду з поверхні сталі, ймовірно, перешкоджає існуванню «сервовитної плівки» на цій поверхні. Отже, за умов реалізації ефекту «вибірного перенесення» в кон- тактній зоні тертя пари бронза–сталь феномен «сервовитної плів- ки» слід пов’язувати з чітко локалізованою в поверхневих шарах контактної зони плівкою, в якій провідну роль, окрім атомів міді, відіграє вуглець. Товщина плівки різко зменшується за умови до- волі незначного підвищення температури внаслідок інтенсифікації процесів окиснення контактної зони тертя. Ступінь перенесення плівки від бронзи на сталь залежить від ди- намічних властивостей мікроструктури самої сталі та її поверхні та обумовлює, загалом, відоме [2, 4, 5] зменшення інтенсивности зношування сталі в умовах прояву ефекту «вибірного перенесення під час тертя». 5. ВИСНОВКИ За результатами досліджень виявлено нові особливості трибологіч- ної пари бронза–сталь у середовищі гідрооливи, класичної для тео- рії ефекту «вибірного перенесення» елементів у контактній зоні те- ртя. Поверхні тертя, одержані за різних умов експерименту та дос- ліджені методами мікрозондової Оже-спектроскопії, рентґенівської енергодисперсійної мікроаналізи, растрової електронної та оптич- ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХОНЬ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА–СТАЛЬ 105 ної мікроскопії, мали принципово інші властивості, ніж це було пе- редбачено теорією. Виявлено суттєво різний характер змін у хемічному складі пове- рхневих шарів бронзи та сталі: переважне навуглецювання в знач- них концентраціях бронзи на глибини від більш ніж 1,5 до 0,8 мкм в залежності від температури експерименту (50–125С) та одночас- не переважне окиснення сталі відповідно на глибини від 250 до бли- зько 1500 нм. Мідь на поверхні сталі зареєстровано в концентраці- ях мікродомішки. Отже, «мідний» відтінок поверхні тертя сталі було обумовлено оксидами заліза. Результати роботи піднімають питання про перенесення в зоні тертя елементів високоміцної сталі на бронзу та їх «глибоке прони- кнення» як мікродомішок у підповерхневий шар останньої. Рете- льна спектральна аналіза складу мікродомішок та аналіза мікро- структури поверхонь тертя сталі та бронзи виявили ефект перене- сення фраґментів карбідної структури з поверхні сталі на поверхню бронзи та його ключову роль у механізмах утворення поверхневого шару бронзи, відомого з теорії ефекту «вибірного перенесення» як «сервовитна плівка». Виявлено, що феномен «сервовитної плівки» слід пов’язувати з чітко локалізованою в поверхневих шарах кон- тактної зони тертя плівкою, в якій провідну роль окрім атомів міді відіграє вуглець. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Б. И. Костецкий, И. Г. Носовский, А. К. Караулов и др., Поверхностная прочность материалов при трении (Киев: Техніка: 1976). 2. М. В. Кіндрачук, В. Ф. Лабунець, М. І. Пашечко, Є. В. Корбут, Трибологія (Киев: НАУ-друк : 2009). 3. Д. Н. Гаркунов, И. В. Крагельский, Открытие № 41. Эффект избиратель- ного переноса при трении (эффект безызносности) (Бюл. изобрет.: № 17: 5) (1965). 4. Н. Н. Гришин, Ю. С. Викторова, И. Г. Фукс и др., Химия и технология топлив и масел, № 4: 40 (1989). 5. Д. Н. Гаркунов, Триботехника (Москва: Машиностроение: 1985); Д. Н. Гаркунов, Триботехника (износ и безызносность) (4-е изд., перераб. и доп.) (Москва: МСХА: 2001). 6. P. Heilmann, J. Don, T. C. Sun et al., Wear, 91: 171 (1983). 7. Д. Бриггс, М. П. Сих, Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (Москва: Мир: 1987). 8. О. О. Міщук, А. В. Богайчук, Проблеми тертя та зношування: Наук.- техн. зб. (Київ: НАУ-друк), 54: 121 (2010). 9. В. Н. Дубняков, Проблемы трения и изнашивания: Науч.-техн. сб. (Киев: Техника), 16: 53 (1979). 10. В. Н. Дубняков, Проблемы трения и изнашивания: Науч.-техн. сб. (Киев: Техника), 18: 64 (1980). 11. О. А. Мищук, Легирование поверхности металлов при трении под влияни- 106 М. В. КІНДРАЧУК, О. О. МІЩУК, А. П. ДАНІЛОВ, Ю. Л. ХЛЄВНА ем органических поверхностно-активных веществ (Дис. … канд. физ.-мат. наук) (Киев: 1996). 12. О. О. Міщук, В. І. Дзюба, Л. І. Коваль та ін., Проблеми тертя та зношу- вання: Наук.-техн. зб. (Київ: НАУ-друк), 57: 256 (2012). 13. J. Schell, P. Heilmann, and D. A. Rigney, Wear, 75: 205 (1982). 14. М. В. Кіндрачук, Ю. А. Куницький, О. І. Дудка та ін., Структуроутворен- ня та формування триботехнічних властивостей евтектичних покрит- тів (Київ: Вища школа: 1997). 15. М. В. Киндрачук, Ю. Я. Душек, М. В. Лучка, Порошковая металлургия, № 9/10: 56 (1994). 16. В. В. Шевеля, В. П. Олександренко, Трибохимия и реология износостойко- сти (Хмельницкий: ХНУ: 2006). 17. И. Ф. Люксютов, А. Г. Наумовец, В. Л. Покровский, Двумерные кристаллы (Киев: Наукова думка: 1988). 18. Е. С. Макаров, Изоморфизм атомов в кристаллах (Москва: Атомиздат: 1973). 19. Э. В. Козлов, Н. А. Попова, Л. Н. Игнатенко и др., Известия ВУЗов: Физи- ка, № 3: 72 (2002). 20. Ю. М. Лахтин, Металловедение и термическая обработка металлов (Москва: Металлургия: 1979). 21. С. П. Козырев, В. Н. Дубняков, М. Н. Добычин, Проблемы трения и изна- шивания: Науч.-техн. сб. (Киев: Техника), 19: 13 (1981). 22. В. Г. Чуприна, Порошковая металлургия, № 5/6: 90 (1995). 23. А. Я. Тонтегоде, Е. В. Рутьков, Успехи физических наук, 163, № 11: 57 (1993). 24. А. И. Олемской, В. Н. Борисюк, О. В. Ющенко, Т. И. Жиленко, Металло- физ. новейшие технол., 34, № 1: 87 (2012). 25. В. М. Ажажа, В. Я. Свердлов, А. Н. Ладыгин и др., Металлофиз. новейшие технол., 32, № 4: 549 (2010).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98362
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1608-1021
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T16:29:44Z
publishDate	2013
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Кіндрачук, М.В. Міщук, О.О. Данілов, А.П. Хлєвна, Ю.Л. 2016-04-12T15:50:45Z 2016-04-12T15:50:45Z 2013 Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь / М.В. Кіндрачук, О.О. Міщук, А.П. Данілов, Ю.Л. Хлєвна // Успехи физики металлов. — 2013. — Т. 14, № 1. — С. 85-106. — Бібліогр.: 25 назв. — укр. 1608-1021 PACS numbers: 06.60.Vz, 62.20.Qp, 68.35.Af, 68.37.Hk, 81.40.Pq, 81.65.Lp, 81.70.Jb https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98362 Методами електронної мікрозондової оже-спектроскопії, рентґенівської енергодисперсійної мікроаналізи, растрової електронної та оптичної мікроскопії досліджено спряжені мікроділянки поверхонь тертя бронзи та сталі, яких було вилучено з пар тертя за умов або безпосередніх, або близьких до перебігу відомого ефекту «вибірного перенесення» елементів контактної зони тертя. Одержано нові дані щодо механізму утворення та властивостей поверхневої «сервовитної плівки» на бронзі. Методами электронной микрозондовой оже-спектроскопии, рентгеновского энергодисперсионного микроанализа, растровой электронной и оптической микроскопии исследованы сопряжённые микроучастки поверхностей трения бронзы и стали, полученные как вблизи, так и непосредственно при условиях протекания известного эффекта «избирательного переноса» элементов контактной зоны трения. Получены новые данные о механизме образования и свойствах поверхностной «сервовитной плёнки» на бронзе. By the methods of microprobe Auger-electron spectroscopy, X-ray energy dispersive microanalysis, scanning electron and optical microscopy, the conjugate microregions of friction surfaces between bronze and steel are investigated. The latter are obtained near and in the conditions of the known effect of the ‘selective transfer’ of elements in the friction contact zone. New data about the creation mechanism and properties of the surface ‘protective lubricating film’ on the bronze are obtained. uk Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Успехи физики металлов Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь Properties of Friction Surfaces of the BronzeSteel Pair Article published earlier
spellingShingle	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь Кіндрачук, М.В. Міщук, О.О. Данілов, А.П. Хлєвна, Ю.Л.
title	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь
title_alt	Properties of Friction Surfaces of the BronzeSteel Pair
title_full	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь
title_fullStr	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь
title_full_unstemmed	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь
title_short	Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь
title_sort	властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98362
work_keys_str_mv	AT kíndračukmv vlastivostípoverhonʹtertâparibronzastalʹ AT míŝukoo vlastivostípoverhonʹtertâparibronzastalʹ AT danílovap vlastivostípoverhonʹtertâparibronzastalʹ AT hlêvnaûl vlastivostípoverhonʹtertâparibronzastalʹ AT kíndračukmv propertiesoffrictionsurfacesofthebronzesteelpair AT míŝukoo propertiesoffrictionsurfacesofthebronzesteelpair AT danílovap propertiesoffrictionsurfacesofthebronzesteelpair AT hlêvnaûl propertiesoffrictionsurfacesofthebronzesteelpair

Властивості поверхонь тертя пари бронза-сталь

Institution

Ähnliche Einträge