Номер части:
Журнал

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТРЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛОСИЛОКСАНА



Науки и перечень статей вошедших в журнал:


DOI:
Дата публикации статьи в журнале:
Название журнала: Евразийский Союз Ученых, Выпуск: , Том: , Страницы в выпуске: -
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Анотация:
Ключевые слова:                     
Данные для цитирования: . ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТРЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛОСИЛОКСАНА // Евразийский Союз Ученых. Технические науки. ; ():-.





Анализ публикаций и патентов показывает, что для модифицирования поверхностей трения и формирования тонкослойных антифрикционных покрытий для уменьшения коэффициента трения и повышения износостойкости широкое применение нашли композиции геоматериалов – природных силикатов, имеющих слоистую структуру со слабой связью между слоями, которая облегчает сдвиг между ними – на основе серпентинита и вермикулита [4], полиорганосилоксаны, содержащие металлы (Ni, Co, Zn и др.) [5] и модифицированные вермикулиты [2, 3], которые способны формировать защитные металлокерамические пленки на поверхностях трения. При этом потери энергии на преодоление трения могут существенно снизиться, а износостойкость сопряженных деталей повыситься в 2–4 раза. Шероховатость металлических поверхностей трения может также снизиться в несколько раз и составить по Ra 0.03¼0.05 мкм.

Существенный недостаток композиций природных слоистых силикатов — недостаточно высокие триботехнические характеристики, необходимость использования в составе смеси достаточно дефицитного компонента — чистого серпентинсодержащего минерала (распространенного далеко не во всех регионах страны). Кроме того, минералы даже из одного месторождения существенно отличаются по химическому составу и, соответственно, по триботехническим свойствам.

Цель данной работы — исследование эксплуатационных свойств тонкопленочных покрытий полученных в результате модифицирования поверхностей трения металлосилоксаном, который имеет стабильные химический состав и слоистую структуру,  и разработка композиций на его основе.

Одним из наиболее распространенных и тяжело нагруженным узлом трения является «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника» судового среднеоборотного дизеля, поэтому исследования проводились применительно к данному трибоузлу.

Модифицирование поверхности стального образца минеральными материалами, металлосилоксаном и композициями на их основе осуществляли фрикционным методом. Модифицирующий состав, состоящий из модифицирующего материала и масла, наносился на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данная смесь подавалась в зону трения каждые 15–20 с капельным методом.

Триботехнические испытания проводили на универсальной машине модели УМТВК проводили по схеме «ролик – колодка» в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,63 м/с. В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из вкладыша типа «Rillenlager» («Miba» 33), который имеет регулярный микрорельеф в виде винтовой канавки глубиной 16–40 мкм и шагом около 0,15 мм на всей поверхности трения, что обеспечивает высокую усталостную прочность и способность выдерживать высокие удельные нагрузки.

Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5–6 капель в минуту). Для смазки применялось работающее дизельное масло марки
М-14-Д2(цл 30) ГОСТ 12337-84 с главного судового среднеоборотного дизеля (СОД), эксплуатировавшегося на тяжелых сортах топлива, так как при работе двигателя на тяжелых сортах топлива смазка содержит повышенное количество механических примесей. Величины значений характеристик работающего масла и содержание в нем продуктов износа и сгорания соответствовало примерно типичным средним значениям для СОД, эксплуатирующихся на тяжелых сортах топлива: вязкость при 100 ºС – 15,8 cCт, щелочное число – 20,3 мг КОН / г, механические примеси 1,5%, Fe – 8,5 г/т, Al – 6,3 г/т, Cr – 2,6 , г/т, Si – 6,3 , г/т, Pb – 4,3, г/т, Sn – 12,1 г/т, Cu –4,5 г/т.

Износ образцов определяли весовым способом на лабораторных весах с ценой деления 0,1 мг марки AUW 220D фирмы Shimadzu (Япония).

Температуру в зоне фрикционного контакта определяли с помощью инфракрасного пирометра Optris Mimisight (Германия).

Рентгенофазовый анализ (РФА) проводили на дифрактометре «Advance‑D8» фирмы «Bruker».

Морфологию поверхности образцов исследовали с помощью атомно-силового микроскопа SPM-9600 фирмы «Shimadzy».

На основании ранее проведенных исследований [1] в качестве силикатов природного происхождения были взяты минералы: серпентинит (брутто-формула: 4.5MgO∙0.7Fe2O3∙0.3 CaO∙0.2MnO∙4SiO2∙4H2O) и алюмосиликат (брутто-формула: Mg·Fe0.8·Al0.4·Si2.1O9·H2O·(CaSiO3)0.9).

Крупность размола минералов до обработки в кавитационном диспергаторе находилась в пределах 1–10 мкм.

Брутто-формула металлосилоксана: [(PhSiO1,5)MgO]n . Металлосилоксан был выбран в качестве модификатора, так как он имеет слоистую структуру с d100  близкую к  d100 алюмосиликата, легко растворим в органических растворителях и его легко наносить на поверхность алюмосиликата.

Для улучшения триботехнических свойств алюмосиликата его модифицировали металлосилоксаном химическим путем.

Данные рентгенофазового анализа (РФА) подтвердили предположение о модификации межслоевого пространства(на дифрактограмме алюмосиликата модифицированного металлосилоксаном наблюдаются новые отражения слабой интенсивности c d = 12,5:4,5 Аº, которые отсутствуют в РФА исходного алюмосиликата).

Близость межслоевых расстояний – у алюмосиликата 14,3 Аº, у металлосилоксана 12,5 Аº позволяет предположить, что металлосилоксан не только покрывает поверхность алюмосиликата, но и проникает в межслоевое пространство алюмосиликата вследствие слоистой структуры полимера.

Модифицирование поверхности вращающегося образца проводили фрикционно-механическим методом при нагрузке 400 Н в течение 1 мин. Толщина модифицированного слоя достигает 1 мкм.

Анализ результатов сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш подшипника» при различных упрочняющих покрытиях позволил установить (табл. 1):

– применение модифицирования шеек вала триботехническими материалами позволяет повысить как ее износостойкость так и трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» не менее чем в 2 раза;

– наиболее высокие триботехнические характеристики достигаются при применении материалов: металлосилоксана и алюмосиликата, модифицированного металлосилоксаном, которые позволяют повысить износостойкость трибосопряжения до 8 раз в зависимости от нагрузки, снизить коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта на больших нагрузках более чем в 2 раза, которые наиболее опасны вследствие создания условий для возникновения схватывания и задира.

Температура циркуляционного смазочного масла на входе в дизель для обеспечения заданной вязкости в зависимости от марки двигателя находится в пределах 40–60 °С. Для определения влияния температуры циркуляционного смазочного масла на триботехнические свойства пары трения «сталь 45 – антифрикционное покрытие» были проведены ускоренные испытания в течение 1 ч при нагрузке 400 Н в условиях трения при граничной смазке. Установлено (табл. 2) , что:

– при температуре циркуляционного масла свыше 40 ºС в трибосопряжении в условиях трения при граничной смазке резко возрастают: коэффициент трения, температура в зоне трибоконтакта и скорость изнашивания антифрикционного слоя вкладыша, что создает предпосылки для схватывания и задира и, соответственно, созданию аварийной ситуации на дизеле;

Таблица 1

Результаты сравнительных триботехнических испытаний
пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях

Пара трения

Нагрузка,
Н
Время
испыта-ний, ч
kтр tmax, °С

Средняя скорость
изнашивания, мг/ч

диск колодка
Вкладыш № 33  – сталь 45
контрольный
40 0,5 0,072 27,6 4,6 3,0
100 0,5 0,057 28,7 6,1 3,4
200 1,0 0,043 36,9 6,3 3,1
400 2,0 0,050 66,4 6,7 6,2
  № 33 – сталь 45
модифицированная серпентинитом
40 0,5 0,072 28,1 0,0 0,8
  100 0,5 0,100 30,4 0,6 2,4
  200 1,0 0,075 33,4 2,4 2,3
  400 3,0 0,043 35,9 1,4 5,0
  № 33 – сталь 45
модифицированная композицией 50% металлосилоксана + 50% серпентинита
40 0,5 0,072 25,2 0 7,6
  100 0,5 0,086 26,3 3,0 4,6
  200 1,0 0,028 30,3 0,0 6,3
  400 2,0 0,036 41,0 1,4 8,5
  № 33 – сталь 45,
модифицированная металлосилоксаном
40 0,5 0,072 23,2 0,0 0,0
  100 0,5 0,072 23,6 2,9 2,4
  200 1,0 0,057 25,8 1,3 3,6
  400 3,0 0,011 32,5 1,5 1,8
  № 33 – сталь 45,
модифицированная алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном
40 0,5 0,072 28,9 0,0 0,6
  100 0,5 0,072 31,1 0,0 1,2
  200 1,0 0,043 33,6 0,5 1,7
  400 1,0 0,014 37,4 2,8 2,5

Таблица 2

Триботехнические свойства износостойких покрытий
при различных температурах подогрева смазки

Пара трения

Наименование
параметра

Температура предварительного
нагрева смазки, ºС

20 40 60
Вкладыш №33  –
сталь 45
(контрольный)
Скорость изнашивания
покрытия вкладыша, мг/ч
6,7 5,9 45,9
Скорость изнашивания стали, мг/ч 6,2 12,8 13,3
Коэффициент трения 0,050 0,050 0,153
Температура в зоне трибоконтакта, ºС 63,1 66,4 81,6
№33 – сталь 45,
модифицированная металлосилоксаном
Скорость изнашивания
покрытия вкладыша, мг/ч
1,8 3,7 29,9
Скорость изнашивания стали, мг/ч 1,5 2,6 1,0
Коэффициент трения 0,043 0,043 0,061
Температура в зоне трибоконтакта, ºС 32,5 45,7 69,6
  №33 – сталь 45,
модифицированная алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном
Скорость изнашивания
покрытия вкладыша, мг/ч
2,5 1,5 1,9
  Скорость изнашивания стали, мг/ч 2,8 0,1 0,2
  Коэффициент трения 0,011 0,007 0,007
  Температура в зоне трибоконтакта, ºС 37,3 41,8 62,6
  №33 – сталь 45,
модифицированная серпентинитом
Скорость изнашивания
покрытия вкладыша, мг/ч
5,0 5,0 5,9
  Скорость изнашивания стали, мг/ч 1,4 3,0 4,8
  Коэффициент трения 0,043 0,058 0,068
  Температура в зоне трибоконтакта, ºС 33,9 44.2 66,1

– модифицирование поверхности стали металлосилоксаном и алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном, позволяет во всем диапазоне температур подогрева смазки повысить износостойкость сопряжения, снизить величины коэффициентов трения и температуры в зоне трибоконтакта и, соответственно, существенно повысить долговечность трибоузла. Причем по мере увеличения температуры подогрева масла эффект от модифицирования стали возрастает: уменьшаются величины скорости изнашивания стали и трибосопряжения в целом.

Минимальные параметры шероховатости также характерны для данной композиции (табл. 3). Периодические микронеровности, расположенные на поверхности по направлению упрочнения и не имеющие острых выступов, обеспечивают получение поверхности, обладающей хорошей смазкоудерживающей способностью в условиях трения при граничной смазке, и высокую износостойкость. Благодаря минимальному удельному давлению на сопряженные поверхности и обеспечению наличия смазки уменьшается износ поверхности, сопряженной с композиционным покрытием, а также коэффициент трения и температура в трибоконтакте.

При использовании алюмосиликата, модифицированного металлосилоксаном проявляются несколько эффектов, обеспечивающих повышение антифрикционных свойств композиции:

– скольжение относительно друг друга силикатных слоев модифицированного алюмосиликата;

– образование антифрикционного слоя за счет внедрения в кристаллическую решетку испытуемого материала ионов кремния, магния и алюминия, при этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие.

Перед исследованием с помощью атомно-силового микроскопа и РЭС поверхность образца очищали от органической пленки травлением аргоном трижды непосредственно в камере фотоэлектронного спектрометра при вакууме 10‑7 torr и напряжении 1000 вольт в точке.

Таблица 3

Параметры шероховатости образцов из стали 45
с различными типами тонкопленочных износостойких покрытий

Материал
для модифицирования
стали

Параметры шероховатости

Среднее
арифметическое отклонение
профиля Ra, мкм
Высота
неровностей профиля по
десяти точкам Rz, мкм
Средний шаг
неровностей профиля Sm, мкм
Без покрытия (исходный) 0,050 / 0,063 0,290 / 0,364 2,47 / 3,96
Без покрытия (после триботехнических испытаний) 0,055 / 0,340 0,248 / 1,420 13,50 / 23,39
Серпентинит 0,179 / 0,419 0,811 / 1,980 1,07 / 12,42
Металлосилоксан 0,050 / 0,102 0,490 / 0,705 2,19 / 3,35
Алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном 0,016 / 0,041 0,122 / 0,385 1,30 / 1,57

Примечание. В числителе приведено значение параметра по направлению вращения образца, в знаменателе — перпендикулярно направлению вращения образца.

Полученный состав металлокерамической пленки на глубине до 100 нм выражается в атомных процентах:

– при упрочнении металлосилоксановым полимером: Fe = 34.2, O = 49.9,
C = 14.6,  N = 0.6,  Ca = 0.7;

3) при упрочнении алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном:  O = 45.6,  Fe = 21.2,  Al = 18.7,  C = 10.7,  Si =  2.9,  Ca = 1.1,  N = 0.5.

Высокое содержание углерода, кремния и алюминия свидетельствует об образовании антифрикционного металлокерамического покрытия.

Таким образом, модифицирование шеек коленчатого вала дизеля металлосилоксаном и алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном, позволяет повысить износостойкость стали и трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» не менее чем в 3 раза. По мере увеличения температуры подогрева масла эффект от модифицирования стали возрастает: уменьшаются величины скорости изнашивания как стали так и трибосопряжения в целом.

Исследование выполнено при поддержке ДВФУ, проект №14-08-03-8_и

Список литературы:

  1. Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л., Токликишвили А.Г. Оптимизация состава минеральных и органоминеральных материалов для модифицирования поверхностей трения деталей машин //  Металлообработка, 2012, №4. – С. 74–78.
  2. Пат. РФ 2487192 (опубл. 2013). Способ получения антифркционной композиции.
  3. Пат. РФ 2484179 (опубл. 2013). Способ получения металлокерамического покрытия.
  4. Погодаев Л. И. К механизму взаимодействия природных слоистых гидросиликатов с поверхностями трения. / Л. И. Погодаев, Е. Ю. Крюков, В. В. Усачев // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2009. – № 5. – С. 71–81.
  5. Ponomarenko A.G., Burlov A.S. The research of mechanochemical reactions in lubricant composition based on polyorganosiloxanes containing azomethine metal complexes // IV International Conference «Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies». «FBMT 2013». Novosibirsk, 2013. – P. 187.[schema type=»book» name=»ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТРЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛОСИЛОКСАНА» author=»Леонтьев Лев Борисович, Шапкин Николай Павлович, Леонтьев Андрей Львович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]
Список литературы:


Записи созданы 6778

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх