مطالعه تجربي و تئوري اثر نيتراته كردن بر رفتار تماس لغزشي در دوره گذار سايش

An Experimental and Theoretical Study on the Effect of Nitriding on the Running-In Behavior of Lubricated Sliding Contacts

افزايش مقاومت سايشي اجزاي مكانيكي همواره براي سازندگان قطعات مكانيكي مهم بوده است. يك روش رايج براي عمليات سطحي، نيتراته كردن است. در اين پژوهش، ضريب اصطكاك و حجم سايش ديسك هاي نيتراته شده و معمولي به دو صورت عددي و تجربي مطالعه شده است. آزمايش ها با استفاده از دستگاه تست سايش پين بر روي ديسك بر روي نمونه هاي فولاد AISI 4140 انجام شده است. مدل عددي بر پايه مفهوم تقسيم بار بمنظور پيش بيني ضريب اصطكاك، دماي سطح، ضخامت فيلم روان كار و نرخ سايش گسترش يافته است. نتايج براي ديسك هاي نيتراته شده نشان مي دهد كه با افزايش سرعت، ضخامت فيلم روان كار افزايش يافته و در نتيجه حجم سايش كاهش مي يابد. از طرف ديگر با افزايش بار اعمالي، ضخامت فيلم روان كار كاهش يافته و در نتيجه حجم سايش افزايش مي يابد. در مورد ديسك هاي نيتراته شده، حجم سايش فقط تابعي از بار اعمالي است و بسرعت وابسته نيست. نمودارهاي حجم سايش بر حسب مسافت لغزش نشان مي دهد كه دوره گذار تقريبا قبل از 1500 متر به پايان مي رسد و بعد از آن نرخ سايش پايا مي شود. مقايسه نتايج تجربي و تئوري ضريب اصطكاك و حجم سايش نشان مي دهد كه مدل تئوري ارايه شده توانايي قابل قبولي براي پيش بيني ضريب اصطكاك و نرخ سايش در مواد عادي دارد.

Enhancing the wear-resistance of mechanical elements is always of much interest for the end users as well as the manufacturers. One common method for surface treatment is nitriding. In this research, friction and wear of nitrided and un-nitrided disks are experimentally and numerically studied. The experiments are conducted using pin-on-disk test rig on samples made from 4140 steel. A numerical model based on the load-sharing concept has been developed to predict the friction coefficient, surfaces' temperature, film thickness, and wear rate. The lubricant temperature along with the friction coefficient is used to predict the wear volume using the fractional film defect theory. The results for un-nitrided disks indicate that increasing the speed results in a higher lubricant film thickness and thus the wear volume decreases. Increasing the applied load, on the other hand, results in a decrease in the film thickness and as a result the wear volume increases. In the nitrided case, the wear volume is a function of load only and does not depend on the speed. The diagrams of wear volume versus sliding distance shows a running-in period approximately before 1500 m after which the wear rate stabilizes. Friction coefficient and wear volume results are shown to be in an acceptable agreement with the simulation results.