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 |
||
| 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 |
|||
| 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 |
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:
- 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.
- Пат. РФ 2487192 (опубл. 2013). Способ получения антифркционной композиции.
- Пат. РФ 2484179 (опубл. 2013). Способ получения металлокерамического покрытия.
- 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.
- 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» ]