Обеспечение эксплуатационных свойств пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях, с образованием регулярного микрорельефа

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 620.178.16

Обеспечение эксплуатационных свойств пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях, с образованием регулярного микрорельефа

В. М. Медунецкий, И. Р. Цимбал

Ключевые слова: пара трения, регулярный микрорельеф, коэффициент трения, твердопленочное покрытие, адгезия, вакуум, температура.

В процессе развития некоторых областей техники, в частности космонавтики, ядерной энергетики, вакуумной техники, рентгеновской техники, возникла необходимость в создании материалов и смазок, способных обеспечить необходимые эксплуатационные свойства пар трения приборов, работающих в условиях вакуума, радиации и высоких температур. Принципиально новые конструктивные и смазочные материалы создаются раз в 10-15 лет, а то и реже [1]. По данным технической литературы, широкое применение в различных конструкциях вакуумных систем получили нержавеющие жаропрочные материалы и твердопленочные покрытия на основе дисульфида молибдена, диселенида молибдена, графита и др., срок их службы определяется прочностью сцепления с материалом основы.

Исследование поверхностей трения отработавших пар показывает, что пары трения выходят из строя в результате нарушения сплошности смазочного покрытия и явления задира материала подложки. Это объясняется качеством поверхностного слоя, получаемого при подготовке поверхности для покрытия. Последнее имеет иррегулярный рельеф, характеризующийся хаотичными выступами с очень малыми радиусами при вершине, которые без труда пробивают покрытия и вызывают схватывание.

Столь же актуальной является задача оценки качества покрытия. Для контроля адгезии покрытия на поверхность образца инструментом (резцом) наносят риски в виде параллельных прямых и по отслаиванию покрытия, которое оценивается с помощью стандартной шкалы, судят о его качестве [2]. Однако этот способ может быть реализован применительно к контрольным образцам и не обеспечивает контроль качества покрытия изделий.

Целью нашей работы стало создание такой поверхности, которая бы достаточно прочно удерживала твердосмазочное покрытие, была бы несущеспособной, не имела бы от-

дельных иррегулярных выступов с малыми радиусами, и ее можно было бы рассчитать и технологически воспроизвести.

До настоящего времени подготовка поверхности под покрытие проводилась путем шлифования с последующей пескоструйной обработкой. Таким образом создавалась шероховатость определенного класса [3]. При этом радиус выступов составлял примерно 10 мкм. Снижение высоты выступов (уменьшение шероховатости) приводит к отрицательным результатам — уменьшается адгезия покрытия к подложке. Такая поверхность не поддается аналитическому расчету и практическому воспроизводству. Необходимыми свойствами обладает только поверхность с регулярным микрорельефом, представляющая собой совокупность регулярных выступов с радиусами 4000-10 000 мкм. Для исследования выбран регулярный микрорельеф сетчатого типа (рис. 1) как наиболее легко рассчитываемый и достаточно просто технологически воспроизводимый [4].

Для воспроизведения способа образования регулярного микрорельефа разработано устройство — виброголовка [5], позволяющая получать регулярный микрорельеф с расчетными, запланированными параметрами. Для определения режимов образования регулярного микрорельефа использовалась следующая методика [6]:

1. Выбран регулярный микрорельеф правильной формы, четырехугольной или шестиугольной.

2. Определен угол расположения неровностей у и, соответственно, ближайшее целое значение индекса канавки п по одной из следующих формул для разных видов микрорельефа:

• четырехугольный тип

п = у;

• шестиугольный тип

п = 0,5[л/31§(у - 1)].

Рис. 1. Схемы формирования сетчатого регулярного микрорельефа: а — четырехугольного типа: р, у — углы направления расположения элемента; б — шестиугольного типа: р, у, ф — углы направления расположения элемента; у, 6 — углы направления расположения сетки; Э — подача деформирующего элемента;

1-6 — индексы формирующих канавок

3. Вычислена дробная часть отношения числа двойных ходов осцилляции инструмента к числу оборотов обрабатываемой заготовки (г) по формулам в зависимости от вида микрорельефа:

• четырехугольный тип

(г) = n/(n2 + 1);

• шестиугольный тип

(г) = (2n + 1) : [2(n2 + n + 1)].

4. Подсчитана величина подачи инструмента Яи:

• четырехугольный тип

Яи = (1/№2 + 1)])1/2;

• шестиугольный тип

Яи = (V3/[2(n2 + n + 1)])1/2.

5. Подсчитана величина г — отношение числа двойных ходов инструмента к числу оборотов заготовки по формуле г = NndS^ где N — число элементов регулярного микрорельефа, приходящихся на единицу поверхности (задается конструктором в зависимости от условий эксплуатации); d — диаметр заготовки.

6. Определен размах осцилляции р из формулы < 2р(1 - {г}).

7. Подсчитан радиус сферы деформирующего наконечника инструмента г, заданный приближенным значением высоты выступов элементов регулярного микрорельефа ^тах по формуле

^тах = й тах/(8^тах)'

где $тах — наибольшая величина регулярного элемента.

Для микрорельефа четырехугольного и шестиугольного типа соответственно

^тах = , йтах = (2Л/3)>8у,

где йу — шаг в направлении угла у, определяемый по формуле

= Мг}/г)2 + р2]1/2.

При выборе радиуса сферы инструмента необходимо учитывать величину усилия вдавливания и жесткость заготовки, ограничивающую возможную область применения усилий.

8. Определена величина усилия вдавливания, как правило, исходя из выражения для определения твердости по Бринеллю. Существующие методы расчета усилия вдавливания с учетом фактической площади контакта и с введением новой характеристики — твердости при накатывании, довольно сложны [7]. Оптимальным методом определения усилия вдавливания является метод пробных проходов.

Для проверки адгезии покрытия к подложке проводились испытания на вибростенде. По результатам взвешивания образца до и после испытаний определялась величина ссыпаемости покрытия. Она сравнивалась с аналогичной величиной у образцов, изготовленных по существующей технологии — с нанесением антифрикционного слоя на шлифованную и пескоструйно обработанную поверхность. Испытания показали, что величина ссыпаемости покрытия у образцов с нанесенным твердосмазочным покрытием и вибронакатанных с образованием регулярного микрорельефа уменьшилась в 25 раз.

Для исследования влияния регулярного микрорельефа на коэффициент трения и износостойкость проводились фрикционные испытания на специально сконструированном стенде [8] (рис. 2) при следующих режимах:

• вакуум — 1 • 10 мм рт. ст.;

• температура в камере — +650 °С;

• частота вращения шпинделя — 600 об/мин;

• осевая нагрузка — 0-2 Н;

• длительность испытаний — 1, 10, 20 ч.

Сам стенд имеет такие технические характеристики:

, -7

мм

рт

максимальная степень вакуума — 1 • 10 " ст.;

• температура в камере +20 ... +800 °С;

• частота вращения шпинделя 0-1000 об/мин;

• удельная нагрузка — 0-2 Н/см2;

• длительность испытаний — 1, 10, 20 ч.

В качестве образцов были выбраны втулки с коэффициентом перекрытия 1,0. Контакт втулок по торцам дает самые жесткие условия эксперимента и позволяет наиболее быстро оценить испытываемую пару трения.

С помощью тензодатчиков и точных регистрирующих приборов производилась запись момента трения, возникающего при вращении подвижного образца относительно неподвижного. После обработки записанной диаграммы момента трения была получена зависимость коэффициента трения от времени.

Для определения износа образцы взвешивались непосредственно перед установкой в камеру и сразу же после остановки стенда и вскрытия камеры. Взвешивание производится с точностью до 5 • 10-5 г. Износ определяется по формуле

А = Р0 - Рк,

Рис. 2. Стенд для ускоренных испытаний образцов:

1 — система охлаждения; 2 — вакуумная камера; 3 — вращающийся образец: 4 — экраны; 5 — нагреватель; 6 — неподвижный образец; 7 — коромысло измерителя момента трения; 8 — рычаг механизма нагружения; 9 — привод

где Р0 — вес образца до испытаний, г; Рк — конечный вес образца после испытаний, г. При испытаниях наблюдается перенос материала с одного образца на другой. Таким образом фактически обеспечивается «привес».

Для сопоставления результатов по износостойкости материала, полученных при использовании других схем испытаний, определяется такая характеристика, как путь трения

Ь = пdсnT,

где Ь — путь трения, м; dс — средний диаметр образцов, м; п — скорость вращения подвижного образца, об/мин; Т — время испытаний, мин. Для данной установки dс = 0,024 м, п = = 1000 об/мин, путь трения:

• при часовых испытаниях

Ь = п • 0,024 • 1000 • 60 = 4524 м;

• десятичасовых испытаниях

Ь = п • 0,024 • 1000 • 600 = 45 238 м;

• двадцатичасовых испытаниях

Ь = п • 0,024 • 1000 • 1200 = 90 475 м.

Испытывали образцы с различными сочетаниями способа нанесения покрытия и обработки вибронакатыванием в две серии в тече-

а)

о)

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

' 0,8 п

0,7 0,6 -0,5

0,4 0,3 -0,2 -0,1 0

12

1

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Ь, мин

f

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Ь , мин

д)

Г

0,7 и 0,6 -0,5 -0,4 -0,3 0,2 -0,1 -0 -

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Ь , мин

0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0

1

15

/

0,8 0 7 0 6 0 5

0 4 0 3 0,2 0,1 0

/

0,8 -, 0 7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 1 0

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Ь , мин

15

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Ь , мин

12

15

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Ь , мин

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения f от регулярности микрорельефа поверхности пар трения: а — образец после вибронакатывания по второму типу рельефа и образец после шлифовки; б — образец после вибронакатывания по четвертому типу рельефа и образец после шлифовки; в — образец после вибронакатывания по второму типу рельефа и нанесения покрытия и образец после шлифовки; г — образец после вибронакатывания по четвертому типу рельефа и нанесения покрытия и образец после шлифовки; д — образец после нанесения покрытия и вибронакатывания по второму типу рельефа и образец после шлифовки; е — образец после нанесения покрытия и вибронакатывания по четвертому типу рельефа и образец после шлифовки и нанесения покрытия; 1 — опытные данные; 2 — теоретическая зависимость

ние 1 ч. В первой серии испытаний контртелом служил образец без покрытия с поверхностью после шлифовки (с нерегулярной шероховатос-

тью). Вторая серия испытаний проводилась с образцами, имеющими различные сочетания вибронакатывания и покрытия. Результаты

2

1

1

многочисленных экспериментальных испытаний обработаны и представлены в виде графиков, построенных в системе Excel и по уравнениям в оболочке Mathcad: сплошная линия — опытные данные, пунктирная — теоретическая зависимость. Анализ результатов часовых испытаний позволил установить следующее:

• образцы с нерегулярным микрорельефом (шлифованные) схватываются в течение первых минут работы;

• образцы, упрочненные регулярным микрорельефом, способны работать в вакууме при температуре, но с высоким коэффициентом трения 0,7-0,8 (рис. 3, а, б);

• создание регулярного микрорельефа на поверхности перед нанесением твердосма-зочного покрытия обеспечивает оптимальную шероховатость для удержания покрытия, но коэффициент трения остается высоким — 0,38-0,58 (рис. 3, в-д);

• низкие значения коэффициента трения (0,06-0,08) (рис. 3, е) наблюдаются при нанесении твердосмазочного покрытия на основе дисульфида молибдена на обе рабочие поверхности и вибронакатывания одной из них с созданием полностью регулярного микрорельефа.

После таких испытаний были отобраны несколько пар, и испытания продолжались в течение 10 ч. За основу была взята пара, показавшая наименьший и стабильный коэффициент трения при часовых испытаниях. Это вариант с нанесением твердопленочного покрытия на основе дисульфида молибдена на обе трущиеся поверхности и последующим вибронакатыванием одной с созданием регулярного микрорельефа. Для сравнения испытывались также пары с образцами, где покрытие наносилось на одну или обе трущиеся поверхности образцов после шлифования — поверхности с нерегулярным микрорельефом. Испытания продолжались 10 ч. Получены результаты испытаний (рис. 4):

• при нанесении твердосмазочного покрытия только на одну из трущихся поверхностей трения с последующим вибронакатыванием коэффициент трения непрерывно растет и через 7 ч достигает величины 0,7;

• пленки твердых смазок на основе дисульфида молибдена обладают хорошими про-тивоизносными и антифрикционными свойствами в течение 4 ч работы. Однако по мере увеличения продолжительности испытания коэффициент трения увеличивается до значения 0,28 для одностороннего покрытия и 0,22 — для двустороннего вследствие полного истирания покрытия и вступления в контакт поверхностей с нерегулярным микроре-

Рис. 4. Влияние регулярности микрорельефа поверхности трения с коэффициентом трения f на износостойкость:

1 — образец после шлифовки и образец после нанесения покрытия и вибронакатывания по четвертому типу рельефа; 2 — образец после шлифовки и образец после шлифовки и нанесения покрытия; 3 — образец после шлифовки и нанесения покрытия и образец после шлифовки и нанесения покрытия; 4 — образец после вибронакатывания по четвертому типу рельефа и образец после шлифовки и нанесения покрытия; 5 — образец после шлифовки и нанесения покрытия и образец после нанесения покрытия и вибронакатывания по четвертому типу рельефа

льефом. При этом просматривается тенденция к его дальнейшему увеличению;

• создание регулярного микрорельефа хотя бы на одной из трущихся поверхностей с твердосмазочным покрытием обеспечивает низкий (0,06-0,08) коэффициент трения.

Для подтверждения факта повышения износостойкости твердосмазочного покрытия при регуляризации поверхности трения были проведены натурные испытания. Для этого взяты подшипниковые цилиндрические и сферические втулки, изготовленные из материала ЭИ-828 и покрытые твердопленочной смазкой на основе дисульфида молибдена (смазка ВНИИНП-229). Одну из контактируемых поверхностей пары трения подвергали вибронакатыванию для создания на поверхности регулярного микрорельефа. Испытания подтвердили факт повышения износостойкости: запланированный ресурс был превышен в шесть раз.

Рассмотренный в данной работе новый подход к обеспечению эксплуатационных свойств пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях (вибронакатывание поверхности трения с нанесенным твердосмазочным покрытием и создание полного регулярного микрорельефа) позволил создать пару трения с прочным покрытием, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Этот способ был применен для изготовления

примерно 100 подшипников скольжения, которые проработали свыше 1000 ч в вакууме при высокой температуре, ни один из них не показал отслоения покрытия, а износостойкость выросла в шесть раз.

Литература

1. Берлинер Э. М., Чичинадзе А. В. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / Под общ. ред. А. В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.

2. Лакокрасочные покрытия в машиностроении: справочник / Под ред. М. М. Гольдберга. М.: Машиностроение, 1974, 450 с.

3. Крагельский И. В., Любарский И. М., Гус-ляков А. А. и др. Трение и износ в вакууме. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.

4. Шнейдер Ю. Г. Образование регулярных микрорельефов и их эксплуатационные свойства. Л.: Машиностроение, 1972. 321 с.

5. А. с. № 1220243 СССР, МКИ В 24 В 39/04. Устройство для нанесения регулярного микрорельефа / И. Р. Цимбал, И. Н. Дмитриева, Ю. Г. Шнейдер (СССР). № 3742610/25-27; Заявл. 02.04.84; Опубл. 29.02.88. Бюл. № 8.

6. Кузьмин Ю. П. Разработка и исследование аппаратуры для контроля микрогеометрии поверхностей с регулярным микрорельефом: дис. ... канд. техн. наук. Л., 1982.

7. Шнейдер Ю. Г. Холодная бесштамповая обработка металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1967. 270 с.

8. А. с. № 1021993 СССР, МКИ О 01 N 3/56. Машина трения / И. Р. Цимбал, Л. А. Чатынян, Т. А. Соловьева (СССР). № 3350804/25-28; Заявл. 04.11.81; Опубл. 07.06.83. Бюл. № 19.

УДК [532. 525/2 : 534] +621.78

Концептуальная модель влияния аэротермоакустической обработки на свойства металлических материалов

В. К. Ерофеев, Г. А. Воробьева,

Ключевые слова: наукоемкие технологии, аэротермоакустическая обработка, металлы, сплавы.

Разработанные и запатентованные авторами технологии аэротермоакустической обработки (АТАО) металлов и сплавов [1] позволили существенно повысить механические, технологические и эксплуатационные характеристики материалов [2] за счет изменения структуры последних. В настоящей статье на основе обобщения результатов исследований предложена приближенная модель физических механизмов воздействий на металлы при АТАО.

В соответствии с современными представлениями при анализе поведения материалов под нагрузкой необходимо рассматривать не только макро- и мезоуровни, но и наномас-штабный структурный уровень пластической деформации [3]. При этом основным механизмом пластической деформации являются локальные структурные превращения (по типу перестроения атомных кластеров различных конфигураций), происходящие в локальных зонах растягивающих нормальных напряже-

ний. Кластеры представляют собой особые структуры металла. Это частицы, содержащие от 2 до 105 связанных друг с другом атомов размером от 0,5 до 100,0 нм. При объединении атомов происходят обобществление валентных электронов и перекрытие волновых функций ядра и электронов атомов. В результате атомы обмениваются информацией, и новые структуры (кластеры) сохраняют информацию квантового состояния [4]. В связи с этим при анализе механизмов воздействия упрочняющих технологий, в том числе АТАО, на свойства материалов следует учитывать и влияние напряжений на формирование атомных кластеров, в частности на границах зерен, субзерен и на поверхности материала.

При проведении АТАО материал можно рассматривать как динамическую систему, на вход которой подается сигнал (управляющий параметр) в виде многоциклического комплексного воздействия акустического поля