Анализ твердосмазочных покрытий для автономно работающих механизмов и агрегатов

В исследованных моделях форма деталей и способ формообразования взаимосвязаны. С целью придания муль-тидетальной конструкции, состоящей из равных деталей, способности покрывать объемные поверхности с переменной кривизной в моделях бренда Пако Рабанн используется особый способ соединения деталей по диагонали или соединение - "ромб", при этом формообразование происходит за счет изменения сетевых углов. В случае изменения размеров и формы деталей мультидетальной конструкции создаются модели прилегающего силуэта практически без изменения сетевых углов.

Список литературы:

1. Макаревич М.В., Лунина Е.В. Исследование способов формообразования в моделях бренда Пако Рабан. //

В книге: Инновационное развитие легкой и текстильной промышленности (ИНТЕКС-2014) тезисы докладов всероссийской научной студенческой конференции. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии». - 2014. - С. 14.

2. Степанищева А.Н., Лаврис Е.В. Особенности проектирования швейных изделий с жесткими композиционными элементами [Текст] // Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ -2011 - №22(64) - С. 43-49.

АНАЛИЗ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ ПОКРЫТИИ ДЛЯ АВТОНОМНО

РАБОТАЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ И АГРЕГАТОВ

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 твёдосма-зочные покрытия (ТСП). Они находят применение в следующих случаях:

1. В автономно работающих узлах трения механизмов различного назначения;

2. в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, радиации, теплового излучения;

3. в узлах трения, работающих при экстремальных нагрузках, соизмеримых с пределами текучести металлов;

4. при малых скоростях скольжения, недостаточных для образования смазочного гидродинамического клина при трении с использованием качестве смазки минеральных и синтетических масел;

5. в широком диапазоне рабочих температур, как от-рица—тельных, 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:

1. определённый ресурс по долговечности для ТСП;

2. определённые границы температурного применения;

3. в большинстве случаев - неработоспособность ТСП в масляной среде (за исключением ряда спецпокрытий, например, фирмы Мо1у^е).

Хопин П.Н., Пак Хоссейн

Начало применения МоS2 относятся к 40-м годам 20 века и в настоящее время он является наиболее широко распространенным антифрикцион—ным 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 ус—ловиях вакуума и различного вида облучений. Так, по данным американского научно-исследовательского центра Годдарта в орби—тальной 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 смо—лы и дисульфида молибдена, обеспечила беспрепятственное выдви—жение 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 воль—фрама и ниобия, диселениды Мо, W и № являются весьма дефи—цитными материалами.

Известно большое количество материалов, которые могут быть использованы в качестве твердых смазок. Существует нес—колько классификаций ТСП. Наиболее обоснованной сле—дует 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 алы, большинство из которых обладают хорошими антиф-пленки; 6 - различные пластичные материалы. рикционными свойствами.

Наибольшее практическое применение нашли материа- Одна из классификаций твёрдых смазок приведена в лы первой группы - слоистые твердые смазочные матери- табл. 1.

Таблица 1

Классификация и примеры твёрдых смазочных материалов

Виды материалов Составы

Неорганические вещества:- слоистые материалы:- не слоистые материалы:- мягкие металлы графит, МоS2, В^ WS2, MoSe2, CdJ2,CFn; РЬО, CaF2;Pb, Sn, 1п, Аи, А^ С4 Си, гп

Органические вещества:- жиры, мыла, воски- полимеры-термостойкие соединения животный жир, стеариновая кислота;ПТФЭ, полиимиды;ф-талоцианины

В настоящее время известны различные методы нанесения ТСП.

1. Натирание

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 (бри-кет).Этот метод был использован фирмой США "Вестинга-уз" для смазки тяжело нагруженных шестерён. В подшипниках качения ТСП размещают в сепараторе. В паре зубчатых колёс может использоваться ротапринтная шестерня.

2. 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 (на-

Сравнительные износостойкость и антифрикционные с ШХ15-ШХ15, N=980 Н; V=0,5м/с)

пример, 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 плён-кообразователя 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 йтр. обладает ТСП ВНИИ НП 212 и ВАП-2 (табл.2).

Таблица 2

йства различных типов ТСП (машина трения СМТ-1, пара

Тип ТСП Наполнитель Связка т,мин. йтр.

приработка установ.режим

ВНИИ НП 212 МоS2 мочевинофор-мальдегидная смола 406 0,163 0,056

ВАП-2 МоS2 эпоксидная смола 383 0,078 0,044

ЦВСП-3 графит С-1 + CdO кремнийорганиче -ская смола 61,8 0,090 0,063

Электрофоретиче-ское 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 АТ = от -196 до +850оС. Т синтеза = 550 - 700оС.Хорошо проявил себя в условиях возвратно-вращательного движения.

Димолит-2(М-802) МоS2 + РЬ(подложка - Мо) 10-80 900-1000 Т синтеза =650 -750оС. АТ = 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 хруп-кость.Получают на стальных и титановых деталях предварительным нанесением молибденового слоя + сульфидирование.

Димолит-4

Димолит-10(М-810) МоS2 + PbS(на ниобии) Спечённый матери-алЗначительно более высокая несущая спо-собность.Эффективны в высокоскоростных подшипниках скольжения

Димолит-12 (М-812) МоS2 + PbS и FeMo ---------------- « ---------

4. Катодное распыление

Применяется для нанесения МоS2 на поверхности сложной формы с предварительной очисткой в вакууме. Оптимальная толщина составляет 5=0,2-0,3 мкм. По зарубежным данным долговечность ТСП в этом случае существенно пре-

вышает 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.

N циклов

105 104 103 102 101

Рис.1. Долговечность покрытий МоS2, полученных различными способами: а - натирание; б - ТСП со связующим; в -плазменное напыление с источником постоянного тока

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].

5. 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.

6. 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.

7. 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 (йтр. ) 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:

1. 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.

2. Из числа исследованных ТСП суспензионного типа наибольшей долговечностью при низких значениях коэффициента трения (йтр. =0,44 - 0,56) обладают ТСП типа ВНИИ НП 212 и ВАП-2.

3. 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

1. Брейуэйт Е.Р. Твёрдые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. М., Химия, 1967, 320с.

2. Ковалёв Е.П., Игнатьев М.Б., Семёнов А.П. и др. Твёрдосмазочные покрытия для машин и механизмов, ра-

ботающих в экстремальных условиях. Трение и изнс. 2004, т.25, №3, с.316-336.

3. Маленков М.И., Каратушин С.И., Тарасов В.М. Конструкционные и смазочные материалы космических механизмов. Балт. Гос. Техн. Ун-т, СПб., 2007, с.

4. Хопин П.Н. Комплексная оценка работоспособности пар трения с твёрдосмазочными покрытиями в различных условиях функционирования. М., МАТИ, 2012, 256с.

5. Тёмкин И.В. Применение графита и дисульфида молибдена в качестве твёрдых смазок. М., 1966, 28с.

6. Мур Д. Основы и применения трибоники. Пер. с англ. М., Мир, 1978, 488с.

7. Диняева Н.С. Конструирование механизмов антенн. М., МАИ, 2002.

8. Завалов О.А. Конструкция вертолётов. М., МАИ, 2004, 316с.

АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ УЗЛОВ

ТРЕНИЕ АГРЕГАТОВ С ТСП

Пак Хоссейн

АННОТАЦИЯ

К статье Пак Хоссейна «анализ эксплуатационно-технологических факторов, влияющих на работоспособность узлов трения агрегатов с твёрдосмазочными покрытиями»

Проанализированы основные факторы, влияющие на работоспособность пар трения с композиционными твёрдосмазочными покрытиями (ТСП) на основе антифрикционных наполнителей и связующих.

Представлен анализ влияние состава ТСП, основных технологических факторов (твёрдость образца и контртела), режимов нанесения и других. Рассматривается влияние эксплуатационных факторов (контактной нагрузки, скорости скольжения, температуры), условий фреттинг-корозии, влияние окружающей среды (вакуума, радиации) на работоспособность ТСП в парах трения.

ABSTRACT

To the article Pak Hossein "Analysis of operational and technological factors affecting the operation of friction units with solid lubricant coatings"

It analyzes the main factors influencing the performance of friction pairs with composite solid lubricant coatings on the basis of anti-friction fillers and binders.

The analysis of the effect of solid lubricant coatings composition, the main technological factors (the hardness of the sample and the opposing member), application modes, and others. The influence of operational factors (contact load, sliding speed, temperature), the conditions of fretting corrosion, the impact of the environment (vacuum, radiation) on the solid lubricant performance in friction pairs.

Ключевые слова: Твёрдосмазочные покрытия, Технологические и эксплуатационные факторы.

Keywords: Solid lubricating coating, technology and operational factors.

Качество ТСП, нанесенного на детали узлов трения, определяется в основном долговечностью работы сопряжения, антифрикционными свойствами (йтр.) 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 контакте, скорость скольжения и др.) и влияния внешней среды.

1.3. Влияние технологических факторов на работоспособность твердосмазочных покрытий в парах трения ЛА

К технологическим факторам, влияющим на работоспособность пар трения ЛА с ТСП, необходимо отнести состав наносимого покрытая, качество контактных поверхностей трения (вид и режимы предварительной термохимической и механической обработки материала основы и контртела), режимы нанесения ТСП (перемешивание суспензии перед напылением и сам процесс нанесения покрытий), а также качество поверхности получаемого покрытия (толщина ТСП. волнистость, погрешность формы и др.). 1.3.1. Состав покрытия

Выбор ТСП из ассортимента покрытий типа ВНИИ НП произ-водится на основе анализа условий эксплуатации, соответствующих области применения покрытия, которая в свою очередь в значи—тельной мере определяется составом ТСП, а, следовательно, и типом пленкообразующего вещества, так как наполнителем для покрытий типа ВНИИ НП и ВАП в основном служит MoS2.

Согласно данным различных исследователей наиболее долговечными как на воздухе, гак и в вакууме оказались покрытия с органическими пленкообразователями — моче-виноформальдегидной (ВНИИ НП 212) и эпоксидной смолой (ВНИИ НП 230), менее долговечными — покрытия с кремнийорганическими полимерами (ВНИИ НП 209,213). Наиболее существенное влияние на работоспособность связующих веществ оказывали повышенные температуры, которые после превышения определенного уровня приводили к деструкции и полимеризаций пленкообразователей. Так например, предельная температура для органических пленкоо—бразующих не превышает 200—250 оС, а для эле-