30 Янв

ПРИМЕНЕНИЕ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ АНОДНО-ИСКРОВЫХ ПОКРЫТИЙ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Синтез покрытий с заданными свойствами на металлах анодированием или  плазменным осаждением имеет большое практическое значение[1]. В настоящее время во всем мире и в нашей стране все более широкое применение находят машины термической резки металлов с ЧПУ. Особенностью таких машин является большое количество подвижных элементов (например, суппортов) необходимых для раскроя листового металла по сложной траектории. Это влечет за собой  и наличие большого количества направляющих качения и скольжения, работающих в напряженных тяжелых условиях.  Характерными условиями работы этих элементов являются: повышенная температура (порядка 300 — 400°С),  большое количество оседающей на направляющие копоти и мелкодисперсной пыли представляющей собой твердые частицы оксидов и гидрооксидов  металлов, являющиеся ничем иным как абразивом.  Таким образом, направляющие подвергаются интенсивному абразивному изнашиванию. Кроме  этого брызги  раскаленного металла, попадая на поверхность направляющих, прочно соединяются с ними.  Эти два фактора в течении короткого времени эксплуатации (порядка 80 часов) приводят к увеличению сопротивления движению суппортов в несколько раз (5 – 10 раз) и к быстрому катастрофическому износу направляющих. Это в свою очередь ведет к увеличению затрат электроэнергии и регулярным сбоям рабочего цикла машины. Проблема осложняется и тем, что профилактические мероприятия на предприятиях зачастую проводятся не своевременно или вообще не проводятся, так как являются трудоемкими и сложными. Необходимость резкой смены направления движения портала и суппортов требует снижения инерции несущей конструкции машины. Это требование направлено на снижение ее массы, а  следовательно и на снижение мощности приводов. В результате чего несущие конструкции большинства современных машин термической резки изготавливаются из легких алюминиевых сплавов.   Возникающая при этом проблема материала направляющих выходит на первое место. Изготовление стальных направляющих приводит к увеличению массы конструкции и ее усложнению. В подобных условиях работают подвижносопряженные детали выталкивающей системы пресс-форм для литья термопластов под давлением. Они также работают в условиях циклически меняющихся напряжений при возвратно-поступательном движении и испытывают воздействие повышенных температур (до 250°С). А процесс их замены весьма затруднен и ведет к продолжительным простоям дорогостоящего оборудования.

Решением описанных выше проблем может служить нанесение самосмазывающихся анодно-искровых покрытий, модифицированных частицами графита, на поверхности трения алюминиевых направляющих  рисунок 1.

Рисунок 1. Применение составной алюминиевой  направляющей с поверхностью трения модифицированной  самосмазывающимся анодно-искровым покрытием

Эти покрытия были синтезированы на кафедре физики в тверском государственном техническом университете. Традиционные методы формирования износостойких покрытий на вентильных металлах не удовлетворяют всему многообразию требований современной техники:  по износостойкости, твердости, адгезии с металлом-подложкой, дешевизне и простоте получения. Покрытия, получаемые анодно-искровым способом на алюминиевых сплавах, удовлетворяют большинству современных требований. Суть метода: анодная поляризация металлов в водных электролитах, позволяющих при определенной разнице потенциалов на электродах вызвать многочисленные мигрирующие искровые, микродуговые или дуговые электрические пробои диэлектрических или полупроводниковых (оксидная пленка, парогазовая смесь) слоев на поверхности анода. Локально, в каналах пробоев и прилегающих областях, вследствие значительной температуры (до нескольких тысяч градусов), перепадов давлений (до 102 МПа) и интенсивного массопереноса, созданы условия для высокотемпературных взаимодействий между металлом и компонентами электролита. На поверхности анода, наряду с электрохимическим окислением обрабатываемого металла, в местах пробоев могут протекать химические реакции характерные для плазмохимии, гидротермального и твердофазного синтезов, взаимодействия в расплавах, термолиза осадка из раствора. Метод дает возможность формировать покрытия толщиной от нескольких до десятков и сотен микрон близкие по составу и свойствам к высокотемпературной оксидной керамике.[2]

При этом, получаемые МДО-покрытия имеют  не удовлетворительные антифрикционные свойства в условиях трения без  смазочных материалов, например высокий коэффициент сухого трения, приводящий к заеданию и усталостному разрушению  нагруженных рабочих поверхностей машин.

В основу исследований, проводимых на кафедре физики тверского государственного технического университета, была положена задача разработки такого способа получения антифрикционного покрытия на алюминии и его сплавах, при котором было бы обеспечено повышение надежности и долговечности его работы, за счет улучшения работоспособности в условиях трения без  смазочных материалов и ликвидацию тем самым основного недостатка представленного выше. Технический результат был, достигнут путем формирования покрытия  высокой твердости, обладающего при этом низким коэффициентом трения, что позволило успешно эксплуатировать его в условиях трения без смазочного материала. Хорошие антифрикционные свойства обеспечиваются  за счет того, что покрытие, полученное предложенным способом, представляет собой тугоплавкую  керамическую матрицу, содержащую в порах большое количество  частиц твердой смазки.

Триботехнические испытания полученных покрытий  показали, что они обладают значительно лучшими антифрикционными свойствами по сравнению с известными оксидными покрытиями.  Одним из вариантов их применения могут быть пары трения выталкивающей системы пресс-форм для литья термопластов под давлением рисунок 2.

Рисунок 2. Применение составной алюминиевой  направляющей с поверхностью трения модифицированной  самосмазывающимся анодно-искровым покрытием

Но данное покрытие в рамках проведенных исследований было получено только на алюминиевом сплаве, в то время как большинство пресс-форм изготавливаются без применения алюминиевых сплавов. Трущиеся элементы системы выталкивания (выталкиватели) изготавливают из углеродистых инструментальных сталей, прочность которых значительно выше прочности алюминиевых сплавов. В связи с этим было предложено  следующее решение проблемы. В пресс — формах, в которых трущиеся элементы изготовлены из алюминиевых сплавов (например, пресс-формы для литья обувных подошв) возможно нанесение покрытия непосредственно на трущиеся поверхности. В пресс-формах,  где трущиеся узлы выполнены из инструментальных сталей, имеется возможность использовать алюминиевые гильзы и втулки рисунок 2 (поз. 2, 4), заменяющие контакт стальных поверхностей на контакт алюминиевых поверхностей с покрытием.  Применять этот способ, необходимо исходя из целесообразности усложнения детали. Так, например стоимость выталкивателя невелика по сравнению со стоимостью плиты, в которой расположено посадочное отверстие, в котором этот выталкиватель двигается. Таким образом, не всегда целесообразно усложнять выталкиватель покрытой алюминиевой деталью.

Исследования физико-механических и триботехнических свойств этих покрытий показали, что анодно-искровые самосмазывающиеся покрытия обладают низкой адгезией с каплями раскаленного металла и нагретыми до жидкотекучего состояния пластиками, способны эффективно работать при температурах до 2000°С. Покрытия обладают толщиной порядка 0,2 мм, при которой могут работать в режиме контактных давлений до 10 МПа. Обладая высокой твердостью (микротвердость 12 – 14 ГПа), анодно-искровые самосмазывающиеся покрытия способны эффективно противостоять процессу абразивного изнашивания направляющих присутствующему в машинах термической резки и усталостному изнашиванию рабочих поверхностей деталей выталкивающей системы пресс-форм для литья термопластов под давлением. Кроме этого покрытия обладают хорошими антифрикционными свойствами  (коэффициент трения 0,07 – 0,11; интенсивность линейного износа около 4 * 10-9).

Таким образом, применение самосмазывающихся анодно-искровых покрытий для защиты алюминиевых направляющих машин термической резки металлов и деталей выталкивающей системы пресс-форм снизит энергозатраты на трение, повысит долговечность и надежность работы направляющих.  Кроме этого будут решены проблемы увеличения массы и усложнения несущей конструкции машин термического раскроя металлов и сложности обслуживания пресс-форм для литья термопластов под давлением.

Список литературы

  1. Баковец В.В., Поляков О.В., Долговесова И.П. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов.  Новосибирск: Наука, 1991. – 152  с.
  2. Федоров В.А. Разработка основ применения легких сплавов в качестве материалов триботехнического назначения за счет формирования поверхностного керамического слоя. Диссертация на соискание ученой степени доктора наук, Москва, 1993. – 303 с.
  3. Инженерия поверхности деталей. Под. ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2008.- 320 с
  4. Справочник технолога-машиностроителя: в 2-х т. Т. 2. под ред. А.М. Дальского, А.Г. Суслова, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение-1, 2001.- 944 с
    ПРИМЕНЕНИЕ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ АНОДНО-ИСКРОВЫХ ПОКРЫТИЙ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ
    Written by: Зоренко Дмитрий Анатольевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 05/26/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)
    Available in: Ebook