Многие узлы трения механизмов машин должны функционировать автономно с различных условиях эксплуатации. К ним относятся как узлы агрегатов и машин общего машиностроения, так и специального назначения для условий вакуума, радиации и др.[1,2,3,4]. Для смазки указанных фрикционных сопряжений широко используются твёдосмазочные покрытия (ТСП). Они находят применение в следующих случаях:
- В автономно работающих узлах трения механизмов различного назначения;
- в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, радиации, теплового излучения;
- в узлах трения, работающих при экстремальных нагрузках, соизмеримых с пределами текучести металлов;
- при малых скоростях скольжения, недостаточных для образования смазочного гидродинамического клина при трении с использованием качестве смазки минеральных и синтетических масел;
- в широком диапазоне рабочих температур, как отрицательных, так и положительных.
ТСП используются также в качестве основных компонентов самосмазывающихся антифрикционных материалов. К их достоинствам следует отнести малый вес, постоянную смазку в условиях хранения. В отличие от жидких масел при их использовании не требуется специальных уплотнений и систем циркуляции смазки, что значительно упрощает конструкции узлов трения. Применение ТСП исключает необходимость периодического введения смазочного материала, что особенно в процессе эксплуатации летательных аппаратов. Продукты их изнашивания являются также хорошими антифрикционными смазками.
Основными недостатками являются:
- определённый ресурс по долговечности для ТСП;
- определённые границы температурного применения;
- в большинстве случаев — неработоспособность ТСП в масляной среде (за исключением ряда спецпокрытий, например, фирмы Molykote).
Начало применения МоS2 относятся к 40-м годам 20 века и в настоящее время он является наиболее широко распространенным антифрикционным материалом, в том числе и для узлов трения летательных аппаратов, функционирующих в экстремальных условиях. Применение твердых смазок в опорах скольжения и качения позволили значительно повысить надежность и долговечность узлов сухого трения ЛА, функционирующих в условиях вакуума и различного вида облучений. Так, по данным американского научно-исследовательского центра Годдарта в орбитальной солнечной обсерватории (спутник типа «Тирос») для смазки шарикоподшипников цепного привода в вакууме успешно использовалась паста из МоS2 [5]. Д. Мур приводит данные, что при температуре -157°С твердая смазка, состоящая из фенольной смолы и дисульфида молибдена, обеспечила беспрепятственное выдвижение регулируемых опор космического корабля с астронавтами на борту, который совершил посадку на Луну в июле 1969 г.[6].
В настоящее время из всех известных наполнителей ТСП в промышленности наиболее широко применяются дисульфид молибдена, графит и фторопласт. Однако область применения последнего ограничена низкой несущей способностью, механической прочностью, большим коэффициентом линейного расширения, невысокой адгезией. Другие ТСП, относящиеся к слоистым смазочным материалам не нашли столь широкого применения по ряду причин. CdI2 и BN имеют недостаточно низкий коэффициент трения, дисульфиды вольфрама и ниобия, диселениды Мо, W и Nb являются весьма дефицитными материалами.
Известно большое количество материалов, которые могут быть использованы в качестве твердых смазок. Существует несколько классификаций ТСП. Наиболее обоснованной следует признать классификацию, предложенную Кемпбеллом [1]:
I — слоистые твердые смазки — МоS2, нитрид бора, графит, слюда, тальк и др.; 2 — органические соединения — мыла, воски и жиры; 3 — химически активные покрытия — сульфидные, хлоридные, фосфидные и др.; 4 — мягкие металлы — индий, свинец, олово, цинк, медь, барий; 5 — полимерные пленки; 6 — различные пластичные материалы.
Наибольшее практическое применение нашли материалы первой группы — слоистые твердые смазочные материалы, большинство из которых обладают хорошими антифрикционными свойствами.
Одна из классификаций твёрдых смазок приведена в табл. 1.
Таблица 1
Классификация и примеры твёрдых смазочных материалов
| Виды материалов | Составы |
| 1. Неорганические вещества:
2. — слоистые материалы: — не слоистые материалы: — мягкие металлы |
графит, МоS2, BN, WS2, MoSe2, CdJ2,CFn; PbO, CaF2; Pb, Sn, In, Au, Ag, Cd, Cu, Zn |
| 3. Органические вещества:
— жиры, мыла, воски — полимеры — термостойкие соединения |
животный жир, стеариновая кислота; ПТФЭ, полиимиды; фталоцианины |
В настоящее время известны различные методы нанесения ТСП.
- Натирание (в т.ч. ротапринтным методом)
Осуществляется методами натирания, галтовки, виброгалтовки и др. Прочность сцепления с поверхностью металла невысокая. Поэтому наиболее применим ротапринтный метод, при котором к поверхности постоянно поджимается намазывающий брусок спрессованной твёрдой смазки (брикет). Этот метод был использован фирмой США «Вестингауз» для смазки тяжело нагруженных шестерён. В подшипниках качения ТСП размещают в сепараторе. В паре зубчатых колёс может использоваться ротапринтная шестерня.
- ТСП со связующим
Наносится с помощью пневмо — или электропистолетов в виде суспензий смеси твёрдой смазки со связующим органических, неорганических и др. типов смол с последующим отверждением и термообработкой. ТСП представляют собой композиции антифрикционного наполнителя (например, МоS2) в лёгком растворителе в присутствии плёнкообразующих веществ (полимеров). Антифрикционный наполнитель обусловливает низкий коэффициент трения; плёнкообразователь обеспечивает высокую адгезию покрытия к поверхности и связывает частицы МоS2 в сплошную плёнку; растворитель предназначен для перевода плёнкообразователя в состояние, пригодное для нанесения на поверхность. До нанесения эти покрытия хранятся в виде суспензий, состоящих из перечисленных выше компонентов. После нанесения на предварительно обработанную и очищенную поверхность и последующего отверждения получаются плёночные покрытия, по внешнему виду напоминающие лакокрасочные. Данные покрытия могут работать без специальной подпитки в течение всего срока службы.
Проведённые [4] сравнительные испытания на износостойкость различных типов ТСП показали, что наибольшей долговечностью при низком fтр. обладает ТСП ВНИИ НП 212 и ВАП-2 (табл.2).
Таблица 2
Сравнительные износостойкость и антифрикционные свойства различных типов ТСП (машина трения СМТ-1, пара ШХ15-ШХ15, N=980 Н; V=0,5м/с)
|
Тип ТСП |
Наполнитель |
Связка |
t, мин. |
fтр. | |
| приработка | установ.
режим |
||||
| ВНИИ НП 212 | МоS2 | мочевиноформальдегидная смола | 406 | 0,163 | 0,056 |
| ВАП-2 | МоS2 | эпоксидная смола | 383 | 0,078 | 0,044 |
| ЦВСП-3 | графит С-1 + CdO | кремнийорганическая смола | 61,8 | 0,090 | 0,063 |
| Электрофоретическое покрытие | графит С-1 | эмаль | 34 | 0,076 | 0,076
|
3.Химико-термическая обработка поверхности
Плёнки твёрдых смазок слоистой структуры получают на поверхности металлов при химическом взаимодействии с газом (например, на молибдене после обработки сероводородом (толщиной до 100мкм).
Достоинством метода является прочное сцепление смазочного слоя с металлом подложки, т.к. в этом случае действуют химические связи с металлом. Основные марки ТСП этого типа и их характеристики приведены в табл.3.
Таблица 3
Основные характеристики ТСП химико-термического типа
|
Покрытие |
Состав |
Толщина,
мкм |
Микротвёрдость |
Примечание |
|
Димолит-1 (М-801) |
Жаропрочная молибденовая основа (подложка – Мо) + МоS2 | 5-120 | 600-900 | DТ = от –196 до +850оС. Т синтеза = 550 — 700оС.
Хорошо проявил себя в условиях возвратно-вращательного движения. |
| Димолит-2
(М-802) |
МоS2 + Pb
(подложка – Мо) |
10-80 | 900-1000 | Т синтеза =650 — 750оС. DТ = до +900 (1000)оС. Обеспечивает более высокую несущую способность и износостойкость, чем Димолит-1. |
| Димолит-3
(М-803) |
Твёрдый раствор ZnS в МоS2 | 10-80 | 3500-5000 | Т синтеза =900оС. Т до +350(450)оС
Более высокая твёрдость и износостойкость, но повышенная хрупкость. Получают на стальных и титановых деталях предварительным нанесением молибденового слоя + сульфидирование. |
| Димолит-4
(М-804) |
МоS2 с сульфидами Fe, Cr, Ni
(основа – высокохромистая сталь) |
10-250 | 1000-2500 | На высокохромистых сталях (например, 20Х13). Т синтеза = 500, 600оС. Основа — МоS2 , легированный сульфидами основных элементов стальной основы (Fe, Cr, Ni).Получил наибольшее распространение (DТ=от криогенных до 400-600оС) |
| Димолит-10
(М-810)
|
МоS2 + PbS
(на ниобии) |
Спечённый материал
Значительно более высокая несущая способность. Эффективны в высокоскоростных подшипниках скольжения |
||
| Димолит-12 (М-812) |
МоS2 + PbS и FeMo |
—————- « —————— |
- Катодное распыление (вакуумное ионно-плазменное напыление)
Применяется для нанесения МоS2 на поверхности сложной формы с предварительной очисткой в вакууме. Оптимальная толщина составляет d=0,2-0,3 мкм. По зарубежным данным долговечность ТСП в этом случае существенно превышает долговечность ТСП, полученных традиционными способами (рис. 1).
Дополнительно было показано, что при нанесении ТСП на подслой предварительно нанесённого твёрдого слоя (Cr3Si2) долговечность ТСП намного повышается.
|
В работе [2] отмечается большое количество исследований, проводимых в этом направлении. Подчёркивается широкое использование магнетронного способа нанесения, оптимальная толщина покрытий составляет 1 мкм.
В последнее время ТСП, наносимые этим методом, стали широко использоваться для нанесения на задние кромки резцов и трущиеся поверхности других режущих и деформирующих инструментов [2].
- Электрофоретическое нанесение ТСП
Процесс заключается в осаждении из водного раствора смол и водной суспензии твёрдых смазочных компонентов (графита, МоS2 и пр.) под действием постоянного тока плёнок, в которых равномерно по всей толщине слоя распределены частицы смазочного компонента. При температурах до 650оС достаточно высокие антифрикционные свойства могут быть получены на никелевых сплавах типа ВЖЛ-2 с покрытием графитом С-1.
- Магнитный метод
Порошковые антифрикционные материалы в комбинации с ферромагнитными частицами подаются в зону трения при помощи наложенных магнитных полей.
Для осуществления метода необходимо:
- придать диамагнитным сухим смазкам магнитные свойства путём введения в них некоторого количества ферромагнитных веществ;
- детали трения изготовить из магнитных материалов;
- разместить узел трения в постоянном магнитном поле;
- рабочие детали, смазка, магнит должны располагаться таким образом, чтобы они образовывали единый магнитный контур.
- Другие методы нанесения
Помимо указанных выше в литературе имеются сведения о детонационном методе нанесения частиц ТСП.
Качество ТСП, нанесенного на детали узлов трения, определяется в основном долговечностью работы сопряжения, антифрикционными свойствами (fтр. ) и температурной стойкостью в зависимости от большого числа факторов, касающихся как вопросов технологической подготовки поверхности трения и нанесения ТСП, так и воздействия эксплуатационных факторов (нагрузка в контакте, скорость скольжения и др.) и влияния внешней среды.
Область применение ТСП распространяется на следующие отрасли промышленности [1]: автомобильная, подшипниковые материалы, резьбовые соединения, атомные реакторы, разделяющие антифрикционные покрытия, подшипники скольжения, автономно работающие узлы в конструкции летательных аппаратов и двигателей, в том числе космического назначения.
В работе [7] отмечается, что в условиях космоса происходит мгновенная сублимация смазки, приводящая к «холодной сварке» трущихся поверхностей, в связи с чем жидкая смазка не применяется. Консистентная смазка в передачах и опорах может использоваться при сроках службы 1-1,5 года. Наиболее широкое применение для этих условий получили ТСП на основе МоS2 типа ВНИИ НП 214, 209, 213 и др.
В работе [8] отмечается широкое применение для предотвращение фреттинг — коррозии в зоне контакта металлических сопряжений фторопластовых покрытий и дисульфида молибдена (ТСП ВАП-2,3).
Таким образом, в результате проведённых исследований показано, что:
- Для условий автономной работы узлов трения, функционирующих как в условиях нормальной атмосферы, так и вакуума, при нагрузках вплоть до предела текучести материала основы одним из наиболее перспективных смазочных материалов являются твёрдосмазочные покрытия.
- Из числа исследованных ТСП суспензионного типа наибольшей долговечностью при низких значениях коэффициента трения (fтр. =0,44 — 0,56) обладают ТСП типа ВНИИ НП 212 и ВАП-2.
- К числу перспективных методов нанесения следует отнести методы вакуумного ионно — плазменного, в частности магнетронного нанесения тонкослойных покрытий (порядка 1 мкм) МоS2 и других смазочных компонентов.
Литература
- Брейуэйт Е.Р. Твёрдые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. М., Химия, 1967, 320с.
- Ковалёв Е.П., Игнатьев М.Б., Семёнов А.П. и др. Твёрдосмазочные покрытия для машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях. Трение и изнс. 2004, т.25, №3, с.316-336.
- Маленков М.И., Каратушин С.И., Тарасов В.М. Конструкционные и смазочные материалы космических механизмов. Балт. Гос. Техн. Ун-т, СПб., 2007, с.
- Хопин П.Н. Комплексная оценка работоспособности пар трения с твёрдосмазочными покрытиями в различных условиях функционирования. М., МАТИ, 2012, 256с.
- Тёмкин И.В. Применение графита и дисульфида молибдена в качестве твёрдых смазок. М., 1966, 28с.
- Мур Д. Основы и применения трибоники. Пер. с англ. М., Мир, 1978, 488с.
- Диняева Н.С. Конструирование механизмов антенн. М., МАИ,
- Завалов О.А. Конструкция вертолётов. М., МАИ, 2004, 316с.[schema type=»book» name=»Анализ твёрдосмазочных покрытий для автономно работающих механизмов и агрегатов» description=»Многие узлы трения механизмов машин должны функционировать автономно с различных условиях эксплуатации. К ним относятся как узлы агрегатов и машин общего машиностроения, так и специального назначения для условий вакуума, радиации и др.[» author=»Хопин П.Н., Пак Хоссейн» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-14″ edition=»euroasia-science_6(27)_23.06.2016″ ebook=»yes» ]