30 Май

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СЛОИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ ТРИБОСИСТЕМ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Проблема повышения работоспособности деталей трибосистем является наиболее актуальной во всех отраслях машиностроения. Практика показывает, [1], что эффективным способом повышения работоспособности деталей трибосистем является создание на их рабочих поверхностях специальных многокомпонентных слоёв, выполняющих следующие функции:

— нивелирование шероховатости контактных поверхностей и, как следствие, уменьшение времени их приработки;

— создание между контактирующими поверхностями деталей трибосистем разделительного смазочного слоя;

— обеспечение в зоне контакта взаимодействующих материалов условий избирательного переноса;

— трибоэкранирование контактирующих поверхностей деталей путём модифицирования материала поверхностного слоя;

— выход на условия трения, обеспечивающие проявление эффекта «нанотрибологической ямы».

Для создания на поверхностях деталей трибосистем многокомпонентных функциональных слоёв (МФС) использовались следующие материалы: полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС), капрон (К), сплав Вуда (СпВ), графит (Г), дисульфид молибдена (ДМ) и кристаллический йод (йод). Нанесение МФС на поверхности деталей трибосистем осуществлялось на установке МПС-3М, описание которой приведено в работе [2]. Максимальная температура импульсного нагрева при создании на поверхностях деталей трибосистем МФС Θ устанавливалась варьированием силы индукционного тока I и времени выдержки Δt согласно номограммы на рис. 1, используя зависимость вида

Θ = СΘ (I · Δt)x σcy, град, (1)

где  СΘ – коэффициент, зависящий от состава МФС и материала детали; σc – показатель высокоэластичной деформации полимера; x, y – показатели степеней, зависящие от состава МФС и условий трения (давления р, скорости скольжения Vск, температуры в зоне контакта деталей трибосистемы Θк).

Значения величин СΘ, x и y для исследованных составов МФС, работающих в диапазонах р = (0,5–1,5) МПа, Vск = (0,1–0,5) м/с и Θк = (20–80)о С приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения величин СΘ, x и y для исследованных составов

МФС на поверхностях деталей трибосистем

Состав МФС СΘ x y
1 ПЭ+СпВ+Г 12,55 0,85 0,24
2 ПС+СпВ+Г 14,18 0,72 0,22
3 К+СпВ+Г 11,91 0,94 0,35
4 ПЭ+СпВ+ДМ 13,16 0,83 0,28
5 ПЭ+СпВ+йод 12,92 0,83 0,26
6 ПС+СпВ+йод 16,27 0,77 0,39
7 ПЭ+СпВ+Г+йод 15,40 0,91 0,38
8 ПЭ+СпВ+ДМ+йод 16,09 1,17 0,32

Исследования эксплуатационных свойств МФС на поверхностях деталей трибосистем проводились на установках для испытания материалов на истирание, описание которых приведено в работе [3]. МФС наносились на детали из стали 12Х3Н, прошедшие предварительное шлифование. В качестве контртел использовались образцы из закалённой быстрорежущей стали Р6М5 (HRC 62–65, Ra = (0,8–1,0) мкм).

Рисунок 1. Номограмма выбора силы индукционного тока I и времени
выдержки Δt в зависимости от показателя высокоэластичной деформации σc
полимера: 1 – (5–10) МПа; 2 – (11–20) МПа; 3 – (21–30) МПа

Исследования проводились при следующих условиях трения: р = 1,0 МПа, Vск = 0,3 м/с, Θк = 50–100оС. Результаты выполненных исследований, приведены в табл. 2, анализ которой свидетельствует о существенном влиянии МФС на эксплуатационные показатели поверхностей деталей, причём использование МФС, в состав которого входит полистирол, более эффективно при температурах в зоне контакта взаимодействующих поверхностей более 100оС (рис. 2).

На интерференционном микроскопе МИМ-4М и электронном микроскопе «Neophot 2» проведены комплексные электронно-металлографические исследования состояния материала слоёв после 30 мин приработки. Был подтверждён эффект «нанотрибологической ямы», согласно которому для каждого сформировавшегося на поверхности детали трибосистемы в процессе обработки или эксплуатации слоя при заданных условиях трения существует наноразмерная толщина слоя структурно перестроенного материала hпер, при которой обеспечивается минимально возможный для сопряжения коэффициент трения f [1]. Получена эмпирическая зависимость, связывающая толщину слоя структурно перестроенного материала hпер с составом МФС (состоящего, например, в процентном соотношении из полимера П, сплава Вуда Сп, графита Сг и кристаллического йода И) и режимами эксплуатации трибосистемы (р, Vск, Θк):

(2)

где – Сh, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 – коэффициент и показатели степеней, значения которых приведены в табл. 3.

Таблица 2

Эксплуатационные показатели МФС на поверхностях деталей трибосистем

п/п

Состав МФС

Эксплуатационные показатели

Tпр, мин ΔU, мг/час Θк, град f
1 ПЭ+СпВ+Г 8 2,5 70 0,07
2 ПС+СпВ+Г 18 2,5 110 0,08
3 К+СпВ+Г 10 2,5 70 0,09
4 ПЭ+СпВ+ДМ 10 2,7 70 0,07
5 ПЭ+СпВ+йод 10 3,0 70 0,07
6 ПС+СпВ+йод 11 2,2 120 0,07
7 ПЭ+СпВ+Г+йод 5 2,1 70 0,05
8 ПЭ+СпВ+ДМ+йод 5 2,0 70 0,04

Таблица 3

Значения коэффициента Сh и показателей степеней x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 в

формуле определения толщины слоя структурно перестроенного материала

поверхностного слоя hпер при (Ra)нач. = (1,2–1,5) мкм

Предел текучести σт, МПа Сh x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7
до 200 3,42 0,34 0,62 0,91 –1,23 0,71 0,25 –0,89
201–250 3,39 0,33 0,60 0,93 –1,21 0,73 0,25 –0,87
251–300 3,36 0,32 0,58 0,96 –1,19 0,76 0,25 –0,85
301–350 3,33 0,31 0,57 0,98 –1,17 0,79 0,26 –0,83
351–400 3,30 0,29 0,57 1,00 –1,15 0,83 0,27 –0,81
свыше 400 3,25 0,27 0,55 1,05 –1,15 0,87 0,29 –0,77

Зависимость (2) можно использовать для определения оптимального состава МФС на поверхностях деталей трибосистем при заданных режимах экс- плуатации и требуемом значении толщины слоя структурно перестроенного материала поверхностного слоя hпер, а также осуществления безабразивной электрохимической притирки сопряжённых деталей с наложением волновых колебаний, используя следующую формулу:

(3)

где  А, f – соответственно амплитуда и частота накладываемых колебаний; U – напряжение, подаваемое в зону контакта деталей; τ – продолжительность процесса безабразивной электрохимической притирки;  – коэффициент и показатели степеней, зависящие от физико-механических свойств материала деталей, условий проведения безабразивной электрохимической притирки и состава электролита.

Рисунок 2. Изменение коэффициента трения f от температуры в зоне
контакта Θк от состава МФС: 1 – ПЭ+СпВ+Г; 2 – ПС+СпВ+Г;

3 – ПЭ+СпВ+Г+йод; 4 – ПС+СпВ+Г+йод (р = 1,5 МПа; Vск = 0,3 м/с)

Экспериментальными исследованиями установлено, что создание на поверхностях деталей трибосистем модифицированных слоёв на основе меди толщиной hпер = 50–60 нм при безабразивной электрохимической притирке позволяет в диапазонах р = 1,0–5,0 МПа и Vск = 0,1–0,5 м/с повысить износостойкость деталей в 8–10 раз по сравнению с теми, которые были приработаны без формирования на их поверхностях модифицированных слоёв.

Разработан и исследован способ ОУО с модифицированием рабочих поверхностей деталей путём подачи в зону контакта упрочняющего ролика с обрабатываемой поверхностью алюминиевой фольги толщиной не более 0,05 мм с нанесёнными и закреплёнными на ней графитовым порошком и кристаллическим йодом. Для выявления эффективности разработанной технологии создания МФС и исследования особенностей поведения йода в контактной зоне сопряжённых поверхностей деталей трибосистем ОУО подвергались бесступенчатые валики из стали 12Х3Н, прошедшие предварительное шлифование. Были приняты следующие режимы обкатки: усилие прижима ролика к обрабатываемой поверхности детали Р = 1000 Н, частота вращения детали nд = 80 об/мин; продольная подача Sпр = 0,1 мм/об; количество проходов m = 3; величина импульсного тока составляла I = 2,5 кА; температура в зоне контакта ролика с обрабатываемой поверхностью 250–300оС. Такие режимы обработки способствовали созданию на поверхности детали трибосистемы плотного модифицированного слоя, толщиной 0,3–0,5 мм, имеющего твёрдость, равную 80–90% твёрдости основного материала детали.

Установлено, что создание на поверхностях деталей трибосистем модифицированного слоя путём ОУО с применением алюминиевой фольги, графита и кристаллического йода позволяет существенно снизить коэффициент трения при повышенных температурах в зоне контакта взаимодействующих поверх ностей (рис. 3). Были получены следующие эмпирические зависимости интенсивности изнашивания I для следующих диапазонов изменения давления р, скорости скольжения Vск, и температуры в зоне контакта Θ:

р = 0,2–1,0 МПа; Vск = 0,1–0,5 м/с; Θ = 50–150о С;

I = 4,754 p0,792 Vск0,426 Θ0,275, мг/час;

р = 1,0–1,5 МПа; Vск = 0,5–1,0 м/с; Θ = 150–250о С;

I = 5,947 p0,704 Vск0,434 Θ0,361, мг/час;

р = 1,5–2,5 МПа; Vск = 1,0–2,0 м/с; Θ = 250–400о С;

I = 6,1284 p0,753 Vск0,486 Θ0,412, мг/час.

Рисунок 3. Изменение коэффициента трения f от температуры в зоне контакта Θ при обычном трении (кривая 1) и с модифицированным слоем (кривая 2):

р = 0,5 МПа, Vск = 0,2 м/с

Добавка кристаллического йода в закрепляемый на фольге графитовый порошок способствует не только снижению коэффициента трения в зоне контакта, но и создаёт в процессе трения на сопряжённой поверхности детали трибосистемы плёнку, выполняющую роль твёрдой смазки. Это было подтверждено спектрографическим анализом материала поверхностного слоя деталей контртел из сталей Х18Н9Т и 12Х3Н, контактируемых с модифицированными поверхностями образцов из стали 45, на сканирующем электронном микроскопе «Quanta–200». Результаты выполненных исследований подтвердили ранее высказанное предположение о трибоэкранировании поверхностных слоёв сопряжённых деталей [4]. При этом оптимальное количество йода в модифицируемом материале поверхностного слоя детали определяется как его состоянием после предварительной обработки по параметрам шероховатости, структуры и величины технологических остаточных напряжений, режимов обкатки, так и условиями эксплуатации. Для принятых режимов ОУО, начальной шероховатости поверхности после шлифования и условий эксплуатации до температуры до Θ = 250оС рекомендуется добавлять в наносимый на алюминиевую фольгу графит 5–8% (по объёму) кристаллического йода. Если температура эксплуатации детали с модифицированным слоем превышает 250оС, то вместо кристаллического йода, который при такой температуре возгоняется, рекомендуется на фольге закреплять размельчённый дийодид хрома, который разлагается с выделением йода при температурах выше 500оС [7]. При этом количество дийодида хрома, наносимого на поверхность алюминиевой фольги вместе с графитом, составляет 15–20% (по объёму) от графита.

Перспективной технологией создания МФС с направленной модификацией материала поверхностного слоя деталей трибосистем может стать способ обработки цилиндрических деталей [5], включающий поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали роликом с постоянным усилием и с непрерывной подачей в зону поверхностного пластического деформирования смазочно-плакировочной жидкостной композиции, содержащей компоненты в следующих соотношениях (масс. %): измельчённый графит 2,5–3,0; кристаллический йод 0,05–0,08; минеральное масло – остальное. В качестве измельчённого графита рекомендуется использовать твёрдую графитовую смазку с размерами основной фракции не более 3 мкм. Добавление в смазочно-плакировочную жидкостную композицию кристаллического йода не только способствует созданию на сопряжённой поверхности детали трибосистемы йодистых соединений толщиной 60–80 нм с низкими коэффициентами трения [6], но и повышает температурную устойчивость графита, что повышает износостойкость деталей в 2–4 раза.

Представленные технологии создания МФС на рабочих поверхностях деталей трибосистем могут существенно повысить их работоспособность при сравнительно небольших дополнительных экономических затратах, о чём свидетельствуют данные, приведённые в работах [1, 2, 6]. Выбор того или иного МФС на поверхностях деталей и технологий их создания обусловлены конкретными условиями эксплуатации трибосистемы.

Список литературы:

  1. Бутенко В.И. Структура и свойства поверхностного слоя деталей трибосистем. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – 367 с.
  2. Бутенко В.И. Технология создания металлополимерных слоёв на контактных поверхностях деталей трибосистем // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2011, №6. – С. 38 – 46.
  3. Шульга Г.И., Бутенко В.И., Гусакова Л.В. Технологическое трибоэкранирование поверхностей деталей трибосистем / В кн.: Практика и перспективы развития партнёрства в сфере высшей школы. Материалы 13-го междунар. научно-практич. семинара. Кн. 3. – Таганрог-Донецк: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – С. 278 – 286.
  4. Способ обработки цилиндрических деталей. Патент РФ №2412042, МПК В24В 39/04, С10М 141/00. / Бутенко В.И. Заявл. 11.08. 2009. Опубл. 20.02.2011. Бюл. №5.
  5. Бутенко В.И., Дуров Д.С., Шаповалов Р.Г. Наукоёмкие технологии создания высокоресурсных деталей машин. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2014.– 404 с.
    ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СЛОИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ ТРИБОСИСТЕМ
    Разработаны технологии создания многокомпонентных функциональных слоёв на поверхностях деталей трибосистем и определены наиболее эффек-тивные области их использования и составы. Показана роль йода в модифицированном после отделочно-упрочняющей обработки поверхностном слое деталей и рассмотрены вопросы влияния состава многокомпонентных функциональных слоёв на интенсивность изнашивания поверхностей деталей трибосистем.
    Written by: Бутенко Виктор Иванович, Дуров Дмитрий Сергеевич, Шаповалов Роман Григорьевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/12/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)
    Available in: Ebook