Фрикционное покрытие на металл

Обновлено: 22.09.2024

Использование: область фрикционно-механического нанесения покрытий на поверхность стального изделия. Сущность изобретения: легирующий состав вносят в зону обработки с помощью прутка, выполненного из материала на основе меди, колеблющегося с частотой 18 - 20 кгц и амплитудой 50 - 70 мкм, а сам пруток прикреплен к волноводу, который соединен с магнитострикционным ультразвуковым вибратором. Легирующий состав вносится с частотой 18 - 20 кГц и амплитудой 50 - 70 мкм под давлением 20-30 кгс/мм 2 при перемещении зоны обработки по поверхности катания рельсов со скоростью от 1,0 до 1,5 м/с. 1 ил.

Изобретение относится к области фрикционно-механического нанесения покрытий на поверхность стальных изделий и может быть использовано для повышения износостойких и эксплуатационных характеристик стальных изделий, преимущественно железнодорожных рельсов.

Известен способ уменьшения износа рельсов с помощью лубрикации, основанный на смазывании поверхности катания специальными материалами [I] .

Лубрикация поверхности рельсов осуществляется с помощью нанесения смазывающего материала на гребень колесной пары головного локомотива и последующим распределением и переносом смазки вращающимися колесами на катающую поверхность рельсов по всей длине движущегося поезда.

Однако в известном способе происходит резкое увеличение поперечных сил, что усложняет вождение поездов. Как правило, лубрикирование поверхности приводит к преждевременному расстройству пути, возрастанию опасности боксования. Кроме этого, смазка поверхности катания ухудшает дефектоскопирование пути.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ обработки стальных изделий путем обеспечения контакта латунного прутка с поверхностью вращающейся стальной детали [II] , который осуществляется следующим образом.

На стальную деталь, вращающуюся со скоростью 0,15. . . 0,2 м/с, осуществляют контактное воздействие присадочного латунного прутка с продольной подачей 0,1. . . 0,2 мм за один оборот с числом проходов 1. . . 2.

При этом происходит процесс фрикционного латунирования благодаря переносу тонкого слоя латуни на поверхность стальной детали за счет механического трения. В результате трения о пруток стальная деталь покрывается тонким слоем латуни, имеющим повышенную долговечность и улучшенные противозадирочные свойства.

Фрикционному латунированию подвергают, как правило, цилиндрические детали: поршни, оси, втулки, пальцы, болты и т. п. При этом вначале обрабатываемую поверхность обезжиривают в бензине марки Б-70, а затем зачищают тонкой шкуркой для удаления окисных пленок. Причем натирание прутком из латуни ведут с одновременным смазыванием детали глицерином, который наносят на поверхность кисточкой, что придает ей антиокислительные и пластификаторные свойства. Способ позволяет применять обработанные детали с нанесенным латунным покрытием в различных закрытых узлах, работающих в условиях действия однообразных, монотонных нагрузок, сопровождающихся равномерным трением.

Однако известный способ отличается длительностью процесса, что приводит к большим затратам энергии, низкой производительности работы оборудования. При этом способ сопровождается обязательной обработкой поверхности, требующей тщательной зачистки окисленного слоя и последующей смазки, что усложняет процесс.

В известном способе необходимо соблюдать строгую перпендикулярность между инструментом и деталью из-за частых заеданий, что увеличивает количество остановок для настройки инструмента.

Кроме того, в известном способе при увеличении скорости обработки возникают дополнительные вибрации от вращения, что ограничивает скоростной режим латунирования.

В известном способе имеют место несплошности обработки от неравномерного нанесения слоя латуни на обрабатываемую поверхность, что приводит к неравномерному износу эксплуатируемой детали, увеличению продолжительности стадии приработки. Кроме того, наблюдается вырывание частиц металла с обрабатываемой поверхности, что приводит к появлению поверхностных дефектов. Таких дефектов, как поры, рванины, которые оказывают существенное влияние на износостойкость поверхности эксплуатируемой детали.

В известном способе обработки от действия нагрузки в поверхностных слоях детали возникают растягивающие напряжения, вызывающие развитие поверхностных дефектов, отслаивание латунного слоя.

Целью изобретения является повышение износостойкости.

При контакте прутка, выполненного из сплава на основе меди (например, латуни), с обрабатываемой поверхностью стального изделия с указанными параметрами происходит пластическое микродеформирование обрабатываемой поверхности с одновременным локальным разогревом в зоне контакта, в результате чего осуществляется внедрение легирующих элементов прутка в поверхность катания. Дополнительное наложение ультразвуковых колебаний на пруток при указанных параметрах обеспечивает сокращение времени насыщения легирующими элементами обрабатываемой поверхности за счет резкого увеличения энергии отрыва частиц с поверхности прутка и внедрения их в обрабатываемую поверхность. Кроме того, одновременно происходит разрушение окисной пленки с созданием благоприятных сжимающих напряжений в зоне контакта с поверхностью, что способствует дополнительному повышению износостойкости обрабатываемой поверхности.

Перемещение прутка осуществляется по изгибному типу. При этом обрабатываемая поверхность рельса взаимодействует с поверхностью изгибающегося прутка как в продольном, так и в поперечном направлениях, что способствует всестороннему и более прочному сцеплению присадочного материала с микронеровностями основного металла.

Кроме того, пруток перемещается в условиях достаточно высокой постоянно действующей статической нагрузки и воздействует на обрабатываемый металл по трапецеидальному режиму с криволинейными боковыми сторонами. В итоге действие присадочного прутка, совершаемого изгибные перемещения, осуществляется под углом, что приводит к сдвигу и последующему смятию выступов неровностей с одновременным раскрытием и заполнением полостей, устьев микротрещин и углублений микронеровностей материалом присадочного прутка.

В результате происходит качественно новая обработка поверхности (по сравнению с прототипом), что повышает износостойкость поверхности стальных изделий.

Повышение давления свыше 30 кгс/мм 2 при указанных соотношениях остальных параметров приводит к разрушению поверхностного слоя обрабатываемой поверхности.

Увеличение амплитуды колебаний выше 70 мкм при указанных соотношениях остальных параметров приводит к значительному выгоранию легирующих элементов из зоны обработки поверхности изделия, что в свою очередь приведет к понижению износостойкости поверхностного слоя изделия.

Операция внесения легирующего элемента в зону обработки, параллельного поверхности изделия, позволяет равномерно распределить материал покрытия по поверхности изделия с необходимым давлением 20-30 кгс/мм 2 и насытить поверхность изделия легирующими элементами до необходимой концентрации со скоростью, превышающей скорость диффузии.

П р и м е р. Способ нанесения фрикционного слоя на поверхность опробован на железнодорожных рельсах.

На чертеже приведена схема осуществления предлагаемого способа.

Обработке подвергали рельсы из стали М76. Для этого куски рельсов 1 длиной 500 мм закрепляли по две штуки на испытуемом стенде. Затем включали ультразвуковой генератор 2 марки УЗГ 10-22, вырабатывающий электрические колебания частотой 11-20 кГц, которые передавались на два магнитострикционных преобразователя 3 марки ПМС 15А-18, где преобразовывались из электрических колебаний в механические такой же частоты и усиливались с помощью волноводов 4, которые передавали циклическую нагрузку Р_ц на прикрепленные латунные прутки 5 толщиной 10 мм, имеющие трапециевидную форму размерами 40 х 50 мм и высотой 20 мм. Магнитострикционные преобразователи крепили на рамах 6, которые соединены с помощью шарниров 7 с тележкой 8, осуществляющей поступательное движение по железнодорожным рельсам.

Контактное прижатие прутков к поверхности рельсов осуществляли грузом (Р_ст) 9, размещенным на волноводах 4.

Влияние латунирования стальной поверхности исследовали с помощью профилографа и оптического микроскопа ОМС-3.

В таблице представлены предлагаемые режимы обработки, известные по прототипу и опытные, и результаты испытаний на установке УРК-1 при ударах шариком до появления разрушения, характеризующего износостойкость металла.

Из приведенных в таблице результатов видно, что характеристика износостойкости при ударном нагружении для слоя, полученного по предлагаемому способу, в 4-5 раз выше, чем для прототипа. При этом скорость обработки для получения слоя одинаковой толщины в предлагаемом способе выше в 7-9 раз по сравнению с прототипом.

Способ может быть использован для повышения износостойкости стрелочных переводов, кривых участков пути, железнодорожных колес. (56) 1. Лалаянц И. Э. Лубрикация рельсов на железных дорогах. США. Железнодорожный транспорт. 12, 1988, с. 72-73.

СПОСОБ ФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, преимущественно головок железнодорожных рельсов, включающий натирание поверхности латунным прутком, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости, натирание осуществляют поступательным перемещением прутка под углом к поверхности со скоростью 1,0 - 1,5 м/с под давлением 20 - 30 кгс/мм 2 с одновременным наложением ультразвуковых колебаний частотой 18 - 20 кГц и амплитудой 50 - 70 мкм.

Фрикционный и электрофрикционный способы нанесения покрытии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Текст научной работы на тему «Фрикционный и электрофрикционный способы нанесения покрытии»

Л.С. Белевский, И.В. Белевская

ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет и Г.И. Носова»

ФРИКЦИОННЫЙ И ЭЛЕКТРОФРИКЦИОННЫЙ СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Одним из эффективных методов повышения служебных свойств металлопродукции является нанесение покрытий и деформационное упрочнение поверхностного слоя. В последние годы получили развитие комбинированные процессы обработки поверхности, когда наряду с механическим воздействием на изделие добавляется действие тока, ультразвука, лазера, плазмы, различных технологических сред и т.п. К комбинированным методам следует отнести и фрикционное нанесение метал-

Сущность процесса состоит в том, что пруток из материала покрытия (медь или медьсодержащие сплавы) прижимается с определенным усилием к поверхности обрабатываемой детали, которая предварительно должна быть обезжирена и смазана глицерином или какой-либо другой специальной жидкостью. В результате в процессе трения происходит разрыхление окисной пленки на поверхности стали или чугуна и пластифицирование поверхности медного сплава, что облегчает его схватывание. В результате поверхность детали покрывается тонким слоем (1. 3 мкм) латуни, меди или бронзы. Особенностью этого способа является способность покрытия к саморегенерации до определенных пределов.

В работе [2] приведены результаты исследования покрытий, полученных фрикционным и электрофрикционными способами. При электрофрикционном способе к детали подводится отрицательный полюс, а к фрикционному стержню - положительный полюс источника постоянного тока. Плотность тока составляет 30. 50 А/мм2. Оказалось, что электрофрикционные пленки имеют меньшую пористость, большую прочность сцепления с основным металлом, а производительность процесса в 2. 3 раза выше. Приложение к контакту фрикционный стержень-деталь напряжения обратной полярности практически не меняло свойств покрытия.

Фрикционное латунирование впервые применено В.Н. Лозовским в узлах авиационной техники как средство защиты стальных деталей от схватывания и задира. Испытания плунжерных пар топливных систем двигателя показало, что латунное покрытие сокращает период приработки, втрое уменьшает интенсивность изнашивания латунированного плунжера. Высокую износостойкость узлу трения придает образующийся

рыхлый медный слой, который не уносится из зоны контакта, а переходит с одной поверхности на другую. Это явление получило название эффекта «безизносности». Еще в 1958 г. Д.Н. Гаркуновым и В.Н. Лозовским получено авторское свидетельство № 115744 на способ придания поверхностям металлов трущихся пар противозадирных свойств, которое легло в основу разработанного в России процесса финишной антифрикционной

По нашему мнению, целесообразно использовать для нанесения покрытий фрикционным способом вращающиеся проволочные щетки (ВПЩ) [3]. Металл покрытия (МП) в виде полосы, цилиндра или бруска прижимается к ворсу ВПЩ и разогревается в зоне контакта с ней до высокой температуры. Частички металла покрытия схватываются с концами ворсинок и переносятся на обрабатываемую поверхность. Поверхность обрабатываемого изделия упрочняется за счет интенсивного пластического деформирования гибкими упругими элементами. Одновременно происходит пластическое деформирование частиц металла покрытия, находящихся на концах ворсинок и схватывание их с поверхностью изделия. Различные варианты фрикционного способа нанесения покрытий с использованием ВПЩ, реализация их в промышленности, многочисленные исследования разработаны и выполнены преподавателями и сотрудниками МГТУ им. Г.И. Носова: Л.С. Белевским, В.И. Кадошниковым, В.П. Анцуповым, А.Н. Завалищиным, С.И. Платовым и др.

Способ нанесения металлических покрытий с помощью ВПЩ с использованием электрического тока предложен A.A. Абиндером [4]. Наносимые металлы или сплавы в виде стержней МП контактируют под током с напряжением 50. 60 В с ВПЩ, которая служит вторым электродом. Предполагается, что контакт ворсинок щетки с МП происходит в течение очень короткого времени и проволочки не успевают оплавляться. Стержень МП является неподвижным электродом, он нагревается до высокой температуры и переходит в пластическое состояние. ВПЩ захватывает концами ворсинок частицы размягчённого металла и наносит его натиранием на обрабатываемую поверхность, которая не находится под током. Необходимая сила тока выбирается опытным путем. При нанесении тугоплавких металлов или сплавов рекомендуется поверхность изделий подогревать до 200. 300°.С, что увеличивает прочность сцепления.

Нами предложен один из вариантов способа нанесения металлических покрытий с помощью ВПЩ, в котором металл покрытия, контактирующий со щеткой, выполнен в виде ролика [5]. Известно также дополнительное изобретение к предложенному нами способу [6].С целью расширения технологических возможностей этого способа авторы предлагают совместить процессы электрической эрозии и электроискрового легирования. Предложенное нами устройство для нанесения покрытия дополняется генератором импульсов разноименной полярности, условно

положительный электрод которого соединён с элементом материала покрытия, условно нулевой - с ВПЩ, а условно отрицательной предназначен для соединения с обрабатываемым изделием. Следует заметить, что предварительный нагрев поверхности изделий перед нанесением покрытий (способ A.A. Абиндера) связан с определенными технологическими трудностями, особенно при обработке крупногабаритных деталей. Проведенные исследования [3] показывают, что тонкие поверхностные слои обрабатываемого изделия также нагреваются до весьма высоких температур и в большинстве случаев предварительный нагрев не требуется. По данным ряда исследователей температурные вспышки в зоне контакта обрабатываемого изделия с ВПЩ могут достигать 1200° С. Использование специального генератора импульсов значительно усложняет технологию нанесения покрытий и увеличивает стоимость обработки. По нашему мнению, при применении электрического тока при нанесении покрытий с помощью ВПЩ целесообразней использовать обычный сварочный трансформатор или подобное устройство. Нами была изготовлена установка, которая позволяла менять напряжение от 10 до 40 В и силу тока от 20 до 120 А. Проведена серия экспериментов по нанесению покрытий на цилиндрические образцы диаметром 18 мм из стали марки 20. Нанесение покрытий проводилось на токарно-винторезном станке. Диаметр ВПЩ -100 мм, длина ворса - 25 мм, диаметр проволоки ворса - 0,25 мм, материал - сталь марки 70. Скорость вращения щетки - 3000 об/мин. Натяг -0,5 мм (величина подачи ВПЩ на обрабатываемое изделие). По обрабатываемому участку осуществлялось четыре прохода. Ниже приведены результаты исследований двух образцов, один из которых обрабатывался без подвода электрического тока, а другой - при тех же режимах обработки с подводом постоянного электрического тока, с напряжением 40 В и силой постоянного тока 50 А. Положительный полюс подводился к металлу покрытия, а отрицательный - к обрабатываемому образцу. Таким образом, происходил дополнительный разогрев в зоне контакта МП-ВПЩ и в зоне контакта ВПЩ-поверхность образца. В качестве материала покрытия использовалась латунь J162. При металлографических и электронно-микроскопических исследованиях* использовалось следующее оборудование: стереомикроскопМецГГесЬпо, оптический микроскоп Mei-jiTechno, растровый электронный микроскоп P3MJSM6490LV. Микро-рентгеноспектральный анализ проводился с помощью приставки Oxford. В дальнейшем процесс нанесения покрытий с использованием ВПЩ будем называть фрикционным плакированием (ФП), а тот же процесс с дополнительным подводом электрического тока - электро-фрикционным плакированием (ЭФП).

*В проведении этой работы принимала участие, доцент, к.т.н. Ю.Ю. Ефимова.

Рис. 1. Вид поверхности (стерео): а- ФП, б-ЭФП

Рис. 2. Микроструктура основы и вид покрытия: а- ФП, б-ЭФП

Рис. 3. Толщина покрытия: а — ФП; б - ЭФП

При ЭФП поверхностные слои изделия выглядят более «сглаженными», чем при ФП (см. рис. 1). Очевидно, что дополнительный разогрев при подводе электрического слоя делает поверхностный слой более пластичным и борозды, которые оставляют ворсинки щетки, успевают деформироваться. Об этом свидетельствуют также и замеры микротвердости. Микротвердость покрытия при ЭФП и нагрузке 10 гс составляет в среднем 2432 МПа, а при ФП и той же нагрузке - 4290 МПа. Деформация основы при ЭФП и ФП происходит примерно одинаково. На рис. 2 не просматривается каких-либо существенных различий в микроструктуре основы. Микротвердость переходной зоны металл-покрытие при ЭФП и ФП почти одинакова (2692 и 2444 МПа, соответственно, при нагрузке 200 гс). Толщина покрытия при ЭФП примерно в 2 раза больше, чем при ФП (см. рис. 3). Вопросы, связанные со свойствами покрытий, полученных при ЭФП, их структурой, прочностью сцепления и т.п., требуют дальнейших исследований.

1. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения. / Под

2. АндрееваА.Г., БурумкуловФ.Х., Толоконников В.И. и др. Финишная антифрикционная безабразивная обработка как средство повышения срока службы машин и оборудования // Сб. науч. статей под ред. Д.Н. Гаркунова. М.: Машиностроение, 1990. С. 34-59.

3. Белевский JI.С. Пластическое деформирование поверхностного слоя и формирование покрытия при нанесений гибким инструментом. Магнитогорск: Лицей РАН, 1996. 231 с.

4. A.c. 57162 (СССР). Способ нанесения металлических покрытий / A.A. Абиндер //Б.И. 1940. №6. С. 1-3.

5. A.c. 1482980 СССР, В 24 В 39 /00. Устройство для нанесенияпо-крытия на поверхность. / С.П. Гуров, С.Л. Гончаров, Л.С. Белевский и В.А. Пиксаев. Опубл. 30.05.89. Бюл. № 20.

6. A.c. 1733502 А2 СССР, С 23 С 26/00.Устройство для нанесения-покрытий. / А.Ю. Хаппалаев, О.В. Цыгулев, B.C. Веремчук, Б.А. Ляшенко, М.М. Абачараев и A.B. Рутковский. Опубл. 1992. Бюл. № 18, С. 100-101.

7. Аскинизи Б.М. Упрочнение и восстановление деталейэ-лектромеханической обработкой. Л.: Машиностроение, 1977. - 184 с.

С.А. Малаканов, О.С. Железков, А.Г. Виноградов

ФГБОУБПО «Магнитогорский государственный технический университет и Г.И. Носова»

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ДВУХОПОРНОЙ ГИБКИ ПРУТКОВ

Операция гибки широко применяется при изготовлении изделий различного промышленного и бытового назначения. В частности, прутковые пружинные клеммы ОП-Ю5, ЖБР-65 и АРС-4 используются на российских железных дорогах в современных конструкциях рельсовых скреплений [1]. При изготовлении пружинных клемм используются операции гибки в горячем и холодном состояниях.

При разработке процессов гибки прутков часто возникают сложности, связанные с определением рациональных геометрических параметров процесса гибки, при которых обеспечивают получение изделий требуемого качества [2, 3].

Рассматривалась задача определения угла гибки в зависимости от перемещения деформирующего инструмента при двухопорной гибке. На рис. 1 показано положение инструмента и заготовки на некотором промежуточном этапе, когда пуансон переместится на величину h, а заготовка изогнется на угол гибки - ОС. Приняты следующие обозначения: ^ -радиус деформирующего пуансона; Г2" радиус неподвижных опор; А -

Фрикционное нанесение износостойких покрытий эластичным инструментом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Быстров В. Н., Титов В. А.

Представлены результаты лабораторных испытаний, полученные при нанесении технологических жидкостей на криволинейные поверхности деталей с помощью эластичного инструмента; доказана эффективность применения этой жидкости для снижения износа и коэффициента трения при фрикционном контакте деталей цилиндропоршневой групп карбюраторного двигателя ВАЗ-1111.

Текст научной работы на тему «Фрикционное нанесение износостойких покрытий эластичным инструментом»

Фрикционное нанесение износостойких покрытий эластичным инструментом

ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва

Ключевые слова: методы технологического воздействия, избирательный перенос при трении, ФАБО, технологические среды.

Keywords: methods of technological impact, selective transfer in friction, technological environment.

Нанесение покрытий эластичным инструментом на сложные криволинейные поверхности деталей требует разработки специальных технологических жидкостей. При этом применяют малогабаритные устройства и машины трения. Медное покрытие наносят за 4,5*103 циклов контакта. При N = 36*104 циклов трения износ при толщине покрытия И = 0,5 мкм в два раза ниже износа при толщине покрытия И = 1,5 мкм. Нанесение покрытий эластичным инструментом позволяет снизить коэффициент трения на 14 - 18%.

Основные технологические требования при фрикционном нанесении покрытий, или финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО), на криволинейные поверхности деталей с использованием эластичного инструмента могут быть сформулированы следующим образом [2]:

• для обработки необходим мягкий, эластичный инструмент, повторяющий конфигурацию поверхности детали и имеющий достаточную площадь контакта для активации поверхности;

• необходимо большое число повторных актов контакта инструмента с деталью;

• поверхность детали перед обработкой должна быть подготовлена к активации, обезжирена органическими растворителями (бензином, трихлорэтиленом и т. п.) или химическим способом в соответствии с ГОСТ 9.305-84;

• в составе технологических жидкостей должны быть металлоплакирующие и металлогенери-

рующие компоненты, например, соли металлов с более высоким электродным потенциалом, чем у металла детали, или вещества, снимающие окисные пленки и аккумулирующие ионы металлов, а также многоатомные спирты, жирные кислоты и др.

В соответствии с триботехнической кинетикой процесса нанесения покрытия [5] при механическом воздействии инструмента, пропитанного технологической жидкостью, происходит следующее:

• нагрев поверхностей детали и инструмента под воздействием сил трения;

• разрушение окисных пленок за счет обменных реакций с компонентами рабочей среды с образованием солей;

• растворение солей в водной среде технологической жидкости;

• замещение ионов металла технологической жидкости на ионы железа при разрушении окис-ных пленок и «травлении» поверхности детали кислотами;

• активация поверхности обрабатываемой детали после «травления» с высвобождением связей;

• создание новых металлических и иных адгезионных связей между ионами металла технологической жидкости и активированной поверхностью детали;

• форезные процессы в зонах образования электрических пар между кристаллами металла из технологической жидкости и железа;

• рост пленки металла технологической жидкости на поверхности детали;

• механический съем вновь созданного покрытия при воздействии обрабатывающего инструмента за счет сдвиговых деформаций, препятствующих значительному росту толщины покрытия (свыше 4 - 5 мкм).

В настоящее время теория создания таких технологических жидкостей отсутствует и составы разрабатываются на основе подбора компонентов по результатам испытаний, которые проводят в два этапа:

1) подбор компонентного состава технологической жидкости для конкретного материала детали с учетом процессов и факторов, указанных выше;

2) износные испытания для определения технической эффективности нанесения покрытия с использованием разработанного состава технологической жидкости.

Для ускорения лабораторных испытаний используют физические модели процесса [6,7] фрикционного нанесения покрытий и изнашивания покрытий при эксплуатации. При разработке технологических жидкостей для нанесения покрытий эластичным инструментом использовали устройство для фрикционного натирания (рис. 1).

Определение износостойкости покрытий производилось на универсальной малогабаритной машине трения [1], подробная конструкция которой представлена на рис. 2.

Малогабаритная машина трения позволяет проводить испытания по схеме ролик-колодка, где используется ролик диаметром 13 мм и колодка в

Рис. 1. Схема лабораторного устройства для фрикционного натирания: 1 - натираемый образец; 2 - вращающийся натирающий ролик

виде сегмента кольца диаметром 13 мм с проточкой по центру внутри, образующей пояски касания шириной 1 мм.

Машина трения обеспечивает прижатие образцов с усилием от 0,1 до 60 Н, частоту вращения подвижного образца 50±5% об/с, а также непрерывную регистрацию суммарного линейного износа неподвижного и вращающихся образцов контактным методом при износе до 0,5 мм, силы (момента трения) при усилии прижатия образцов до 60 Н и температуры образцов и смазочной среды в диапазоне температур окружающей среды до 180±1 °С.

Коллективом авторов была разработана методика испытаний в контролируемых средах [1,4] и ГОСТ 23.216 «Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на трение и

Рис. 2. Малогабаритная машина трения: 1 - упор; 2 - датчик положения с упругим элементом; 3 - электродвигатель; 4 - ротор электродвигателя; 5 - вал электродвигателя; 6 - уплотнение камеры на валу электродвигателя; 7 - гайка; 8 - стекло; 9 - ролик; 10 - колодка; 11 - камера; 12 - вентилятор; 13 - рычажный механизм; 14 - герметизированный шток; 15 - корпус; 16 - рамка; 17 - окно; 18 - трубка; 19 - рычаг нагружения; 20 - масло; 21 - насос; 22 - привод насоса; 23 - пружина; 24 - корпус нагружающего устройства; 25 - основание; 26 - винт; 27 - гайка

изнашивание при смазке масло-хладоновыми смесями» при полной герметичности испытуемой «триады» трения (два контактирующих образца и смазочная среда).

В соответствии с этой методикой подбор компонентов технологической жидкости и разработка технологии проводились с использованием модельного инструмента из фетра. Определялось влияние контактного давления Р и числа полных циклов контакта N на рост толщины медного покрытия к. Результаты испытаний представлены на рис. 3. Давление Р варьировали от 0,2 до 1,4 МПа.

Рис. 3. Изменение роста толщины медного покрытия на чугуне СЧ18 при ФАБО в зависимости от нагрузки и числа циклов: кривая 1 - Р = 1 МПа; кривая 2 - Р = 0,6 МПа; кривая 3 -Р = 0,2 МПа; кривая 4 - Р = 1, 4 МПа

Из приведенных на рис. 3 графиков следует, что при фрикционном нанесении медного покрытия эластичным инструментом из фетра диаметром 450 мм на образец из чугуна СЧ18 максимальная величина покрытия к = 1,45 мкм получена при Р = 1 МПа за 4,5 >

Для модельных испытаний на износостойкость выбраны следующие режимы фрикционного нанесения покрытия: контактное давление Р = 1 МПа, N = 4*103, материал инструмента - фетр. При указанных режимах проводилось нанесение покрытий на ролики реальных узлов трения цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя ВА3-1111, полученные путем вырезания из блока цилиндров и коленчатого вала. Колодки изготавливались из поршневых колец и сталеалюминиевых вкладышей того же двигателя. В соответствии с данными завода-изготовителя блок цилиндров был изготов-

лен из специального низколегированного чугуна, коленчатый вал - из чугуна с поверхностной закалкой ТВЧ. Испытания проводились на малогабаритной машине трения (см. рис. 2.). В качестве смазочной среды использовалось моторное масло, рекомендуемое автозаводом - М-6з/12 Г1. Время испытаний - 30 мин.

На рис. 4 показаны результаты износных испытаний пар трения «коленчатый вал-вкладыш» и «блок цилиндров - поршневое кольцо» без покрытия и с покрытием. По результатам испытаний после нанесения фрикционного покрытия суммарный износ пары «коленчатый вал - вкладыш» снижен с 7 до 2,75 мкм (на 60%), а пары «блок цилиндров - поршневое кольцо» - с 5,6 до 3,6 мкм (на 36%).

Интересные результаты получены при определении влияния фрикционного нанесения покрытия на изменение коэффициента трения в паре трения «блок цилиндров - поршневое кольцо».

0 5 10 15 20 25 30

Рис. 4. Износ образцов из материалов двигателя ВА3-1111: кривая 1 - «коленчатый вал без покрытия - вкладыш»; кривая 11 - «блок без покрытия - поршневое кольцо»; кривая 2 -«коленчатый вал с ФАБО - вкладыш»; кривая 21 - «блок с ФАБО - поршневое кольцо»

На рис. 5 представлены результаты испытаний образцов при смазывании моторным маслом М-6з/12Г1. Из этого рисунка видно, что при использовании фрикционного нанесения покрытий коэффициент трения может быть снижен на 14% при уровне нагрузки 5 МПа и на 18% при 14 МПа.

Важным методическим вопросом является определение влияния толщины нанесенного медного покрытия на износостойкость пары трения в период приработки. Модельные испытания пары трения «сталь 45 - сталь 45» при смазывании моторным маслом М10Г показали, что приработоч-ный износ при толщине покрытия к = 0,5 мкм стабилизируется при N = 36^104 циклов трения и в

4 6 8 10 1 14 N. МПа

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от удельной нагрузки при испытании материалов пары «блок - поршневое кольцо» двигателя ВА3-1111: кривая 1 - без ФАБО; кривая 2 - с ФАБО

0 9 18 27 36 ЛГхЮ4

Рис. 6. Суммарный износ образцов в период приработки пары трения «сталь 45 - сталь 45» в масле М10Г с разной толщиной покрытия при нагрузке 7,5 МПа: кривая 1 - к = 1,5 мкм; кривая 2 - к = 0,5 мкм

два раза ниже приработочного износа при толщине покрытия к = 1,5 мкм. Результаты испытаний показаны на рис. 6.

Износ пары трения «блок цилиндров - поршневое кольцо» оценивали при изменении нагрузки N от 5 до 14 МПа в моторном масле М-6з/12 Г1 для карбюраторных двигателей. Результаты испытаний приведены на рис. 7.

Рис. 7. Износ образцов пары трения «блок - поршневое кольцо» двигателя ВА3-1111 при различных уровнях нагрузки N кривая 1 - без ФАБО; кривая 2 - с ФАБО

Сокращение износа образцов, моделирующих пару трения «блок - поршневое кольцо» двигателя ВА3-1111 при нагрузке N = 14 МПа, составило около 30%.

Таким образом, результаты лабораторных испытаний модельной технологической жидкости позволили определить основные технологические режимы ее использования при ФАБО и эффективность ее применения для снижения износа и коэффициента трения при фрикционном контакте деталей цилиндропоршневой группы карбюраторного двигателя ВАЗ-1111.

1. А. с. СССР № 1219962. Устройство для триботехнических испытаний материалов // Быстров В. Н., Гаркунов Д. Н., Жигайло Б. Г., Знаев В. А., Панфилов Е. А., Полянин Б. А., Прокопенко А. К., Францев В. Н.

2. Быстров В. Н., Прокопенко А. К. Финишная антифрикционная безабразивная обработка в металлоплакирующих средах // Тр. Междунар. научн. конф. «Трение, износ и смазочные материалы». Ташкент: Изд. АН УзССР. 1985. Т. 5. С. 8 - 9.

3. Быстров В. Н. Эффект безызносности и его применение в технике // Долговечность трущихся деталей машин. Вып. 5. 1990. С. 3 - 22.

4. Быстров В. Н., Балабанов В. И., Челюбеев В. В. К вопросу испытаний конструкционных и смазочных материалов в режиме избирательного переноса // Технический сервис в агропромышленном комплексе. М.: МГАУ. 1993.

5. Гаркунов Д. Н. Триботехника. М.: МГАУ. 1985.

6. Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: МГАУ. 2001.

7. Современная трибология: Итоги и перспективы / Под ред. К. В. Фролова. М.: ЛКИ. 2008.

Особенности формирования фрикционных покрытий, называемых металлокерамикой Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Куранов В. Г., Виноградов А. Н., Каракозова В. А., Бузов А. В.

The features of the mechanism of formation of a frictional covering received on technology «XADO» are considered in this article. It is formed basically at the expense of the basic metal and gets properties of a metal surface with low contact resistance, but not at the expense of components «XADO», as it was accepted to consider.

Текст научной работы на тему «Особенности формирования фрикционных покрытий, называемых металлокерамикой»

УДК 629.113.002.3.004 (075.8), 620.179.112 (075.8)

В.Г. Куранов, А.Н. Виноградов, В.А. Каракозова, А.В. Бузов

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ, НАЗЫВАЕМЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИКОЙ

Рассмотрены особенности механизма формирования фрикционного покрытия, полученного по технологии «ХАДО». Установлено, что оно формируется в основном за счет основного металла и приобретает свойства металлической поверхности с низким контактным сопротивлением, а не за счет компонентов «ХАДО», как принято было считать.

V.G. Kuranov, A.N. Vinogradov, V.A. Karakozova, A.V. Buzov

FRICTIONAL COVERINGS FORMATION FEATURES,

Для обеспечения оптимального процесса эксплуатации узлов трения в машинах и механизмах получило широкое распространение введение в смазочную систему специальных компонентов, снижающих износ и потери энергии, а также восстанавливающих изношенные части машин без их разборки.

По принципу действия присадки, снижающие трение и износ, делятся на три группы [1]:

- первая - модификаторы трения, к ним относятся ER, «Аспект-модификатор», «Универсальный модификатор»;

- вторая - плакирующие присадки, содержащие в своем составе мелкодисперсные частицы специального вещества или соединения: меди, дисульфида молибдена (MoS2), тефлона (политетрафторэтилена - ПТФЭ) и т.д., в эту группу попадают STP с ХЕР2, Motorol от фирмы Liqui Moly Gmbh и PTFE от фирмы Hi Gear Products и др.;

- третья - так называемые реметаллизанты, призванные «восстанавливать» поверхности при некоторых видах износа, к ним можно отнести швейцарский Metalyz 6, украинский РВС, российские «Трибо» и «РиМет».

Препараты третьей группы можно подразделить еще на две - препараты с «мягкими» и «твердыми» активными агентами.

В разряд «мягких» войдут Metalyz 6 и «РиМет», содержащие в своем составе соответственно композиции медь-свинец-серебро и медь-олово-серебро. Согласно рекламе, эти композиции должны заполнять микровпадины на трущихся поверхностях и увеличивать, таким образом, площадь пятна контакта [2, 3]. При этом компрессия может несколько увеличиться.

«Твердые» - РВС и «Трибо», по рекламе изготовителей, способны произвести избирательное «наваривание» слоя металлокерамики в наиболее изношенных узлах трения двигателя. Причем украинский производитель официально заявляет, что правильно обработанный его препаратом двигатель может проехать без масла до 5 тыс. км.

Принцип действия плакирующих присадок (препараты второй группы) похож на работу «мягких» реметаллизантов, с той лишь разницей, что частицы плакирующего материала не остаются во впадинах микрорельефа навсегда, а перемещаются на контртело и обратно.

У препаратов первой группы (модификаторов трения) принцип действия основан на химически активном взаимодействии присадки с выступами микрорельефа. В режиме граничного трения толщины масляной пленки оказывается недостаточно, чтобы исключить контакт поверхностей «металл по металлу». Такой контакт возникает, прежде всего, на выступах микрорельефа. Выступы, пытаясь срезать друг друга, нагреваются и тут вступает в работу модификатор - размягчает нагревшийся выступ, который затем легко сглаживается. Когда все «лишние» выступы сглажены, толщины масляной пленки хватает, чтобы избежать контакта «металл по металлу».

Каждый продукт, представленный на рынке, в стадии разработки проходит испытания в соответствии с методикой, которую выберут его разработчики. Когда результат авторов устроит - товар предлагается на рынок. Если проводить сравнительные испытания разных препаратов по какой-то одной (универсальной) методике, результаты испытаний могут значительно отличаться от заявленных.

В целях повышения износостойкости и восстановления изношенных машин в настоящее время получает распространение технология «ХАДО», основанная на введении в смазочную систему специальных, высокоактивных композиций, формирующих на поверхности металлокерамические защитные покрытия. Их высокая эффективность подтверждается специальными исследованиями и опытом эксплуатации машин различного назначения.

Вместе с тем, в рекламных проспектах о «ХАДО» имеется ряд утверждений, которые противоречат современным представлениям о процессах трения и изнашивания и не соответствуют действительности. Все это наносит ущерб технологии «ХАДО», которая имеет существенные преимущества перед другими триботехнологиями и присадками.

Технологию «ХАДО» представляют как некое «украинское чудо», якобы единственное в мире, позволяющее восстанавливать изношенные машины без их разборки. Утверждается, что высокоэффективные композиции самостоятельно (независимо от матричного металла) инициируют формирование суперпрочных покрытий с крайне низким коэффициентом трения (0,003-0,007) и делают это разумно - только там, где нужно, в местах интенсивных выработок. Но никакого нового чуда здесь нет, а есть ещё один вид самоорганизации три-босопряжений, где активация поверхности при трении реализуется образованием защитного покрытия, которое авторы «ХАДО» называют металлокерамикой. «Чудом» называли первую промышленную металлоплакирующую присадку МКФ-18, которую применяли для реализации эффекта избирательного переноса (ИП) и безразборного восстановления изношенных машин [4]. Затем были разработаны другие, более эффективные триботехнологии и присадки, основанные на этом эффекте, и в комбинации с ИП, которых в настоящее время появилось так много, что инженеру-практику трудно разобраться в этом многообразии и выбрать наиболее эффективный вариант для конкретных условий.

Действительным чудом является, как в этом случае, так и в других самоорганизациях, само трение, которое сопровождается диссипацией механической энергии и возникновением различных форм активаций: металла, среды и диффузии, вызывающих формирование на поверхности новых структур и фаз со свойствами, отличными от исходных материалов, и в том числе таких, которые невозможно получить традиционными методами.

Разработчики называют «ХАДО» металлокерамикой. Но керамику и металлокерамику получают горячими способами (обжигом, спеканием). При трении это происходит при низкой температуре, которая влияет косвенно - через активацию термодиффузии из-за возникновения температурных градиентов в поверхностном слое. Поэтому, на наш взгляд, адекватнее назвать это покрытие трибометаллокерамикой или фрикционной металлокерамикой, ес-

ли более строгими методами будет установлено, что свойства и состав этих покрытий действительно соответствуют этим материалам.

Неадекватны утверждения, что состав «ХАДО» самостоятельно (независимо от матричного металла) инициирует формирование покрытия только там, где нужно, в местах выработки. В действительности, сами эти места, наиболее активированные трением, возбуждают направленную диффузию наиболее активных и активированных трением компонентов из металла, среды и смазки в свою сторону и образуют с ними защитные структуры и фрикционные покрытия, в том числе и там, где это и не нужно, ибо максимальная активация не всегда совпадает с максимальным износом.

Для проверки этих положений, в том числе влияния свойств металлической основы, проведены специальные исследования.

Влияние присадки «ХАДО» на момент трения и нагрузочную способность смазки

Исследования проводились на четырехшариковой машине трения МТ-4 с трансмиссионным маслом ТАД-17 (рис. 1, 2).

Рис. 1. Изменение момента трения в процессе испытаний масла ТАД-17 с присадкой «ХАДО» и без нее

Рис. 2. Изменение момента трения в зависимости от нагрузки

Как видно из рис. 1 и 2, М^ с введением «ХАДО» снижается (1-4%) и остается постоянным за все время испытаний. С увеличением нагрузки до 220 Н Мтр повышается линейно, как с «ХАДО», так и без нее. При нагрузке более 220 Н и отсутствии в масле присадки «ХАДО», М^р скачкообразно повышается и возникает схватывание, чего не наблюдается при введении присадки «ХАДО», когда Мтр также линейно повышается и стабилизируется на уровне -0,23 Нм.

Влияние присадки «ХАДО» на изменение динамического контактного сопротивления Якд

Исследования проводились на специальной машине трения, исключающей влияния токосъема на изменение Якд. Интенсивность скачков Якд оценивалась с помощью специальной аппаратуры для автоматической регистрации скачков Якд, что позволяет отфильтровать второстепенные (случайные) скачки и наблюдать изменения свойств в чистом виде. В качестве объекта испытаний взяты радиально-упорные подшипники В6 -50305АЕШ1 с маслом ТАД-17. Из рис. 3 видно, что при использовании присадки «ХАДО-защитная», в начале приработки (15-20 мин), имеют место рост скачков Якд и их дисперсия из-за наличия пленок оксидов, как и при отсутствии присадки. Последующее резкое снижение интенсивности скачков Якд указывает на окончание формирования фрикционного покрытия с низким Якд.

Рис. 3. Изменение интенсивности скачков контактного сопротивления при обкатке подшипников № 5, 22, 3 с консистентной смазкой «ХАДО - защитная»

При использовании присадки «ХАДО-ремонтная» формирование фрикционного покрытия происходит быстрее, практически отсутствует подготовительный период возбуждения и приработки, и имеет место резкое снижение скачков Якд, рис. 4.

Изменение общего уровня вибрации (ОУВ)

Измерения общего уровня вибрации подшипников показали, что после отработки со смазками, содержащими присадку «ХАДО», ОУВ увеличивается на 1-8 дБ за счет увеличения виброактивности колец, тогда как вклад шаров в ОУВ, наоборот, уменьшается на ту же величину, что можно объяснить неравномерностью формирования покрытия на кольцах и более высокой активацией и точностью размеров поверхности шаров при низкой шероховатости (рис. 5).

Я • 10-8, с 70 60 50 40 30 20 10 0

0 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 4. Изменение интенсивности скачков контактного сопротивления при обкатке подшипников № 11, 25 с консистентной смазкой «ХАДО - ремонтная»

□Общий уровень вибраций, дБ (допустимый 83 дБ)

ИОбщий уровень виб раций, дБ с присадкой «ХАДО-защитная»

иОбщий уровень вибраций, дБ с присадкой «ХАДО-ремонтная»

Рис. 5. Изменение общего уровня вибраций подшипников до и после обкатки с консистентными смазками: а - «ХАДО - защитная», б) «ХАДО - ремонтная»

Исследование механизма формирования свойств покрытия «ХАДО»

Испытания образцов с характеристиками, приведенными в таблице, проводились в условиях скольжения по схеме «вал+щетка-индентор», который прижимался к валу с упругим усилием.

Образец Индентор Характеристика шейки вала после испытаний Характеристика индентора после испытаний

Шейка расп редел ительного вала (ВЧ-50-2, ТВЧ до НЯСэ 50-55) Вырезан из гильзы цилиндра, с упругим прижатием Увеличение диаметра на 0,01 мм Износ

Вырезан из сталеалюминиевого вкладыша, с упругим прижатием Без изменений Нарост покрытия

Вырезан из поршневого кольца, с упругим прижатием Увеличение диаметра на 0,03 мм Без изменений

Как видно из таблицы, размер шейки вала после испытаний увеличился на 0,01-0,03 мм, замечено заполнение винтовой канавки вала слоем «ХАДО», рис. 6. На алюминиевой поверхности вкладыша имеется нарост покрытия, размер шейки вала остался без изменений.

Измерения микротвердости на обработанных «ХАДО» и свободных от покрытия участках показали:

2. На шейке вала микротвердость покрытия оказывается ниже, чем исходного материала: Нц покрытия - 6200 МПа, Нц вала - 8000 МПа на всех образцах.

Рис. 6. Фотография поверхности шейки распределительного вала (увеличение х40): а - до испытаний - вид поверхности после шлифования; б - после испытаний с узким индентором; в - после испытаний с широким индентором

1. Твердость фрикционного покрытия «ХАДО» в основном зависит от твердости исходного (матричного) металла: на мягком металле формируются мягкие покрытия, а на твердом - твердые, с микротвердостью Нц даже ниже исходной на 25%. Не подтверждается формирование суперпрочного покрытия, но это и не нужно для повышения износостойкости, больший эффект достигается выполнением правила «положительного градиента» - мягкий слой (1-2 мкм) на твердой подложке.

2. Лучшие результаты по формированию фрикционного покрытия получаются при упругом прижатии образца к контртелу, что хорошо наблюдается на регулярной шероховатости, где покрытие заполняет впадины между вершинами и формируется гладкая, мягкая поверхность, на которой отсутствуют следы приработки. Но при упругом прижатии покрытие может формироваться и там, где это и не нужно, например - кулачках и рычагах распределительного механизма

и направляющих клапанов, что может привести к уменьшению зазоров и заклиниванию, следовательно, больший эффект может быть получен при наличии управления формированием покрытия «ХАДО» с учетом условий, режима работы и особенностей трибосопряжения.

3. Снижение контактного сопротивления покрытия «ХАДО» до значений, характерных для металлической поверхности, показывает, что оно содержит в основном металлические компоненты, а не керамические и стекловидные, и что формирование покрытия происходит за счет диффузии активированных трением компонентов металла и присадки «ХАДО», которая, вероятнее всего, играет роль «связки», цементирующей микрочастицы основных (матричных) металлов.

4. Энергетической основой формирования фрикционного покрытия «ХАДО», как и других самоорганизаций, является активация поверхности пластической деформацией, которая реализуется формированием защитной структуры неизвестного ранее типа, называемого металлокерамикой, свойства которой, однако, существенно отличаются от того, что принято называть керамикой или металлокерамикой, получаемой горячей обработкой.

5. Механизм формирования покрытия оказывается более сложным, чем предполагали разработчики «ХАДО», требующим дальнейшего изучения, особенно - формирования свойств покрытия, которые резко отличаются от тех, которые могли быть сформированы только за счет собственно компонентов «ХАДО».

1. Маслов Ф.И. Классификация модификаторов по износу / Ф.И. Маслов // За рулем. 1999. № 10. С. 74-75.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника / Д.Н. Гаркунов. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.

3. Кузьмин В.Н. Некоторые результаты сравнительных испытаний смазочных композиций при трении скольжения / В.Н. Кузьмин, П.П. Дудко // СЛАВЯНТРИБО-5. Наземная и аэрокосмическая трибология - 2000: проблемы и достижения: материалы Междунар. науч.-практ. симпозиума / под общ. ред. Л.И. Погодаева, Ю.П. Замятина; ВМПАВТО, МФ СЕЗАМУ, РГАТА. СПб. - Рыбинск, 2000. С. 236.

4. Влияние УДП-присадки меди в смазке на процессы трения и изнашивания /

С.А. Беляев, С.Ю. Тарасов, А.В. Колубаев, С.А. Ларионов // СЛАВЯНТРИБО-5. Наземная и аэрокосмическая трибология - 2000: проблемы и достижения: материалы Междунар. науч.-практ. симпозиума / под общ. ред. Л.И. Погодаева, Ю.П. Замятина; ВМПАВТО, МФ СЕЗАМУ, РГАТА. СПб. - Рыбинск, 2000. С. 249.

5. Куранов В.Г. Износ и безызносность / В.Г. Куранов, А.Н. Виноградов, А.С. Денисов. Саратов: СГТУ, 2000. 136 с.

Куранов Владимир Г еоргиевич -

доктор технических наук,

профессор кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета

Виноградов Александр Николаевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Каракозова Вера Алексеевна -

зав. лабораторией кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета

Бузов Анатолий Викторович -

Читайте также: