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):
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:
где А, f – соответственно амплитуда и частота накладываемых колебаний; U – напряжение, подаваемое в зону контакта деталей; τ – продолжительность процесса безабразивной электрохимической притирки; 
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:
- Бутенко В.И. Структура и свойства поверхностного слоя деталей трибосистем. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – 367 с.
- Бутенко В.И. Технология создания металлополимерных слоёв на контактных поверхностях деталей трибосистем // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2011, №6. – С. 38 – 46.
- 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.
- 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.
- Бутенко В.И., Дуров Д.С., Шаповалов Р.Г. Наукоёмкие технологии создания высокоресурсных деталей машин. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2014.– 404 с.[schema type=»book» name=»ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СЛОИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ ТРИБОСИСТЕМ» description=»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.» author=»Бутенко Виктор Иванович, Дуров Дмитрий Сергеевич, Шаповалов Роман Григорьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]