Исследование трибологических свойств композиционного покрытия, нанесенного фрикционно-химическим способом

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Литература

1. Гущина К.Г., Беляева С.А., Командрикова Е.Я. и др. Эксплуатационные свойства материалов для одежды и методы оценки их качества: Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.

2. Баранова Е.В., Лисиенкова Л.Н., Стельмашенко В.И., Саламатин А.В. Устройство для определения деформационных свойств кожи и подобных ей гибких материалов: заявка на изобретение РФ № 2007114927 от 20.04.2007.

3. Бурмистров А.Г., КочеровА.В., Компьютерный комплекс «RELAX» для оценки качества материалов// Кожевеннообувная промышленность. 1998, № 1. С. 17—19.

УДК 621.771.8

исследование трибологических свойств композиционного покрытия, нанесенного фрикционно-химическим методом

Корнеев А.А.,

кандидат технических наук, доцент,

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва.

The efficiency and quality of utilities and consumer services depends on the technical condition of the technological equipment. The wear and damage of the working surfaces is the most common cause for failure of the machinery working parts. Composite coating applied by the friction-chemical method is a simple and effective way to improve the durability of friction units. The coating test results (of durability, antifrictionality, and tear resistance) show that the tribological characteristics of friction units in the technological equipment for utilities and consumer services improve with the application of the composite coatings.

Эффективность и качество работы предприятий коммунального и бытового обслуживания во многом зависят от технического состояния парка технологического оборудования. Наиболее распространенной причиной выхода из строя деталей и рабочих органов машин является износ и повреждение рабочих поверхностей. Одним из простых и эффективных способов повышения износостойкости узлов трения является композиционное покрытие, нанесенное фрикционно-химическим методом. В статье показаны результаты испытаний этого покрытия на износостойкость, антифрикционность, задирную стойкость. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о возможностях улучшения трибологических характеристик узлов трения технологического оборудования коммунального хозяйства и бытового обслуживания путем нанесения композиционного покрытия.

Ключевые слова: композиционное покрытие, износостойкость, фрикционно-химический метод.

Эффективность и качество работы предприятий коммунального и бытового обслуживания во многом зависят от технического состояния парка технологического оборудования. Современное состояние теории рабочих процессов машин, наличие обширной экспериментальной техники для определения рабочих нагрузок и высокий уровень развития прикладной теории упругости при относительно хороших знаниях физических и механических свойств материалов позволяют обеспечить достаточную прочность деталей машин с большой гарантией от поломок

их в нормальных условиях эксплуатации. Поэтому наиболее распространенной причиной выхода из строя деталей и рабочих органов машин коммунального и бытового назначения является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей.

Независимо от вида оборудования срок службы его узлов трения будет определяться конструктивными (схема контакта, макро- и микрогеометрия поверхностей, конструкция рабочих поверхностей, способ подвода смазки), технологическими (структура, химические, физические

и механические свойства) и эксплутационными (удельная работа трения, относительная скорость скольжения, удельная нагрузка, температурный режим, смазка и ее свойства) факторами. Конструктивные и технологические параметры задаются в период проектирования и изготовления оборудования и являются одинаковыми для одного и того же оборудования. Эксплутацион-ные факторы будут зависеть от условий работы оборудования. В результате различной интенсивности и условий эксплуатации, несвоевременным или низким техническом обслуживании износ узлов трения даже одинакового технологического оборудования жилищно-коммунального хозяйства и бытового обслуживания происходит по-разному.

В практике изготовления и ремонта технологического оборудования накоплено много методов повышения износостойкости деталей узлов трения. Выбор обусловливается условиями работы механизма, конфигурацией деталей, видом изнашивания и т.д.

Износостойкость трущихся сопряжений во многом зависит от физико-механических и химических свойств поверхностей трения, формирующихся в процессе взаимодействия деталей. Большое влияние на формирование этих свойств оказывает промежуточная среда, через которую происходит взаимодействие микронеровностей. Поэтому важным направлением повышения износостойкости деталей при их изготовлении и ремонте является нанесение покрытий на финишных операциях. Результаты исследований показывают, что практически все методы нанесения покрытия не позволяют управлять геометрическими и микрогеометрическими параметрами поверхности, в то же время по сравнению механическими методами обработки они в более широких пределах изменяют физико-химическое состояние поверхностного слоя деталей машин.

Особый интерес представляют трибопокры-тия, т.е. те, которые образуются в процессе трения. Таким образом, мы создаем оптимальные условия для наиболее легкого перехода от геометрического состояния поверхности трения и физического состояния металла в поверхностных слоях к состоянию поверхностей и поверхностных слоев при установившемся режиме работы. Происходит приспосабливаемость поверхностного слоя: возникает положительный градиент сдвиговой прочности материала по глубине от

поверхности, формируется оптимальная микрогеометрия поверхности, структуры и т.д. [2] Эти явления можно объяснить действием закона структурной самоорганизации механических систем при трении.

Трибопокрытия можно наносить: при наличии и при отсутствии смазочного материала; из смазывающей среды, содержащей специальные присадки; из материала одной из деталей пары трения при воздействии смазочного материала; при одновременном воздействии особых факторов, таких, как температура, электрический ток, протекающий через трибонагруженную пару трения, с учетом воздействия электрических и магнитных полей в этом процессе. [3]

Одним из простых и эффективных методов получения покрытий является финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО). Сущность данного метода состоит в том, что стальные или чугунные детали после традиционной окончательной обработки покрывают тонким слоем латуни, меди или бронзы. Покрытие производят путем трения латунного, медного или бронзового прутка (инструмента) о поверхность детали, смазывая при этом поверхность трения технологической жидкостью. При трении материал прутка переносится на стальную (или чугунную) поверхность детали.

Существуют несколько разновидностей

метода ФАБО: химический, фрикционно-

механический и фрикционно-химический. [1] На наш взгляд, наиболее перспективным является фрикционно-химический. Покрытия, полученные указанным методом, по сравнению с химическими покрытиями обладают лучшими трибологическими характеристиками. По сравнению с фрикционно-механическим этот способ позволяет получить более однородные покрытия.

В Российском государственном университете туризма и сервиса в проблемной научной лаборатории «Композиционные материалы и триботехнологии» в течение многих лет ведутся работы по созданию технологических сред и приспособлений для нанесения покрытий фрикционно-химическим методом. Последняя разработка лаборатории — технология создания на поверхностях трения композиционных покрытий, которые состоят из мягкой пленки металла и различных наполнителей. Для исследования трибологических свойств разработанного

композиционного покрытия была проведена серия испытаний.

Испытания проводились по ГОСТ 23.216—84 на триботехническом комплексе ТК-1 с выводом результатов испытаний на ПЭВМ.

Образцы изготавливались из стали марки ШХ 15 ^С 45), 45 (тс 35) и серого чугуна марки СЧ 25.

На образцы наносилось композиционное покрытие путем фрикционной обработкой поверхности специальным инструментом в присутствии технологической среды. Обработка велась до появления на поверхности видимой пленки в соответствии со следующими режимами: удельная нагрузка — до 2 МПа, скорость вращения детали — до 5 м/с, продольная подача инструмента — 0,1...0,2 мм/об, количество проходов — 1.3, толщина покрытия обеспечивается в пределах 0,5...1,5 мкм.

В соответствии с методикой в начале проводились эксперименты со ступенчатым нагружением образцов для определения предельной допустимой нагрузки. Смазывание осуществлялось одноразово пластичной смазкой ЛИТОЛ 24. Результаты испытаний пары трения сталь ШХ15 — сталь ШХ15 приведены на рис. 1.

Результаты эксперимента показали, что на образцах без покрытия при удельной нагрузке

17.5 МПа произошел задир на трущихся поверхностях, и испытания были прекращены. Образцы с покрытием выдержали нагрузки до 25 МПа без образования задира. По результатам проведенных экспериментов была определена оптимальная нагрузка на образцы для дальнейших испытаний на износостойкость. Для стали марки ШХ15 она составила 10 МПа. Для образцов из стали 45 и чугуна СЧ25 удельная нагрузка составила соответственно 7,5 и 7 МПа (диаграммы не приводятся).

На основании полученных данных были проведены эксперименты на износостойкость. Испытанию подверглись пары трения сталь ШХ15 — сталь ШХ15, сталь 45 — сталь 45, сталь 45 — серый чугун СЧ25 без покрытия и с композиционным покрытием. Образцы исследовались на триботехническом комплексе ТК-1 при скорости скольжения 2 м/с и удельной нагрузке 10,

7.5 и 7 МПа соответственно. Испытания проводились в режиме ограниченной подачи смазочного материала (пластичная смазка ЛИТОЛ 24 и индустриальное масло И 10А).

Согласно методике было проведено пять

У, мкм

Рис. 1. Зависимость износа пары трения сталь ШХ15 — сталь ШХ15 от удельной нагрузки: — образец без покрытия

і

— образец с покрытием

испытаний каждой пары. На основании полученных результатов были построены графики зависимости износа пар трения от времени испытания

Из приведенных графиков видно, что на-

личие композиционного покрытия ускоряет период приработки материалов. В начальный период времени происходит повышенный износ образцов с покрытием, связанный, вероятно, с явлениями приспосабливаемости поверхности

Рис. 2. Кинетика износа пары трения ШХ15по ШХ15при смазке пластичным смазочным материалом ЛИТОЛ24:

1 — образец без покрытия 2 — образец с покрытием

0.1

О 2

0.3

0.4

0.3

0.6

0.7

0.8

0.9

Рис. 3. Кинетика износа пары трения сталь 45по сталь 45 при смазке жидким смазочным материалом И10А:

1 — образец без покрытия 2 — образец с покрытием

Рис. 4. Кинетика износа пары трения сталь 45по СЧ25при смазке жидким смазочным материалом И10А:

1 — образец без покрытия

2 — образец с покрытием

и образования «квазиотжиженного» слоя. При окончании его формирования происходит снижение интенсивности изнашивания примерно в

1,5 раза.

На трехпальчиковой машине АЕ 5 проводились испытания, целью которых было исследовать изменение момента трения при использовании композиционного покрытия. Образцы, изготовленные из стали 45 (HRC 45) с шероховатостью поверхности Ra0,8 — Ra0,4 испытывались вначале без покрытия, а после с композиционным покрытием. Скорость вращения диска — 2 м/с. Удельное давления, создаваемое одним образцом — 0,7 МПа. На образцы была нанесена разовая смазка марки И10А. Результаты экспериментов представлены на рис. 5.

Анализ результатов показывает, что период приработки по моменту трения у образцов с композиционным покрытием меньше в 2 раза, чем у образцов без покрытия. В начальный период времени момент трения образцов с композиционным покрытием выше. Это объясняется тем, что в начальный период работы происходит приспосабливание поверхности. Момент трения в установившимся режиме работы у образцов с композиционным покрытием меньше в 1,7 раза. Ухудшение условий смазки у образцов с компо-

зиционным покрытием не ведет к резкому увеличению момента трения по сравнению с образцами без покрытия.

Композиционные покрытия исследовались также на задиростойкость. Испытания были проведены на возвратно-поступательной машине трения 77 МТ-1. Подвижный образец — пластина из углеродистой стали марки 45 (HRC 35). Размер 80х45х4 (мм). Неподвижный образец — пластина из той же углеродистой стали с поверхностью контакта, площадью 20 мм2.

Сила нагружения подвижного образца 525 Н. Давление в зоне контакта 26 МПа. Шероховатость образцов Rа не более 0,63. Твердость образцов HRC 35.

Результаты испытания показали, что на образцах без покрытия задир произошел за один рабочий ход машины. На образцах с композиционным покрытием задир произошел за 20 рабочих ходов.

Проводилось исследование микрогеометрии дорожек трения при работе с композиционным покрытием и без него. Исследования проводились на профилографе-профилометре модели 201. Анализ профилограмм показывает, что наибольший износ поверхности происходит на краях дорожек трения. При работе с покрытием проис-

Рис. 5. Зависимость момента трения от времени испытания при одноразовом нанесении смазочного материала И10А:

1 — образец без покрытия

ходит образование равномерной шероховатости, что говорит о распределение нагрузки по всей поверхности. Это подтверждает и исследование поверхности трения образцов на оптическом микроскопе МБС-9, показавшее увеличение в 2 раза площади фактического контакта колодки, работающей с покрытием по сравнению с колодкой, работающей без покрытия. Было отмечено, что при работе по покрытию происходит его пе-

2 — образец с покрытием

ренос на колодку.

Результаты проведенных испытаний позволяют сделать вывод о возможностях улучшения трибологических характеристик узлов трения технологического оборудования коммунального хозяйства и бытового обслуживания путем нанесения разработанного композиционного покрытия.

Литература

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин): Учебник. 5-е изд., пере-раб. и доп. М.: Изд-во МСХА, 2002.

2. Костецкий Б.И. Износостойкость деталей машин. Киев: Машгиз, 1950.

3. Польцер Г., Мюллер В, Ланде И. Использование трения для нанесения покрытий на рабочие поверхности цилиндров двигателей // Долговечность трущихся деталей машин: Сб. статей. Вып. 1. М.: Машиностроение, 1986. С. 88—96.