АНТИФРИКЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ НА СТАЛЬНОЙ ОСНОВЕ

Техническое решение относится к области машиностроения, в частности к антифрикционным покрытиям для узлов трения, и может быть использовано для изготовления подшипников скольжения в энергетике, металлургии, судостроении, горной и других отраслях промышленности.
Материал антифрикционного покрытия на стальной основе должен обладать высокой прочностью сцепления с основой, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, чтобы обеспечить работоспособность узла трения в условиях эксплуатации, характерных для поверхностей скольжения, при сочетании высоких удельных нагрузок и относительных скоростей скольжения.
Известен подшипник скольжения, включающий стальную основу, подслой и баббитовый слой, пористость которого уменьшается от подслоя к рабочей поверхности подшипника (United States Patent 5,458,984 Journal bearing with bonded liner). Недостатком этого технического решения является изменение пористости по высоте слоя, а соответственно и маслоемкости баббитового слоя, что снижает его износостойкость и вызывает неравномерный износ подшипника в процессе эксплуатации.
В качестве прототипа выбран вкладыш подшипника скольжения с антифрикционным покрытием, включающий стальную основу, подслой полуды и баббитовый слой, [1, 2], при этом размер интерметаллидных фаз в антифрикционном слое составляет 50…100 мкм, что обуславливает низкие показатели трибологических свойств слоя. К недостаткам прототипа относятся высокий коэффициент трения 0,02 и интенсивность изнашивания 0,017 мкм/км, а также низкая адгезионная прочность получаемого антифрикционного слоя 33 МПа.
Задачей технического решения является получение антифрикционного покрытия с высокими показателями трибологических свойств и адгезией к стальной основе, обеспечивающего повышение работоспособности узлов трения, таких как вкладыши подшипников скольжения.
Поставленная задача решается благодаря тому, что на стальную основу узла трения наносится антифрикционное покрытие, включающее расположенные последовательно подслой сцепления и антифрикционный слой, отличающееся тем, что подслой сцепления выполнен с шероховатостью в 2…10 раз выше шероховатости антифрикционного слоя, а размер интерметаллидных фаз в антифрикционном слое составляет 1…30 мкм.
α2
α3
На фиг.1 показано предлагаемое устройство антифрикционного покрытия. К стальной основе 1 прилегает покрытие, которое состоит из подслоя сцепления 2 и антифрикционного слоя 3. Согласно предлагаемому техническому решению подслой сцепления выполнен с шероховатостью R в 2…10 раз выше шероховатости антифрикционного слоя R. Увеличение шероховатости поверхности подслоя приводит с одной стороны к увеличению площади контактного взаимодействия, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение адгезионной прочности между антифрикционным слоем и подслоем сцепления и покрытия в целом. С другой стороны, низкая шероховатость поверхностного слоя свидетельствует о его малой пористости и высокой механической прочности [3].
При шероховатости подслоя менее чем в 2 раза превышающей шероховатость поверхности антифрикционного слоя не обеспечивается увеличение адгезионной прочности между антифрикционным слоем и подслоем сцепления и покрытия в целом.
При шероховатости подслоя более чем в 10 раз превышающей шероховатость поверхности антифрикционного слоя повышается пористость подслоя сцепления и снижается механическая прочность покрытия в целом.
Для обеспечения работоспособности в условиях, характерных для поверхностей скольжения (сочетание высоких удельных нагрузок и относительных скоростей скольжения) у покрытия должны быть низкий коэффициент трения и высокая износостойкость.
Уменьшение коэффициента трения при увеличении нагрузки может быть обусловлено изменением соотношения влияния твердых интерметаллидов и основы, играющей роль мягкой прослойки. Исследования по совместимости трущихся поверхностей показали, что основой хорошей приспосабливаемости трущихся поверхностей друг к другу в процессе относительного перемещения является благоприятная реакция на ужесточение трения. У гетерогенных сплавов это проявляется в увеличении количества перенесенного на сопряженную поверхность металла из мягкой фазы за счет деформации на участках контактирования очагов легкого сдвига. Кристаллы мягкой фазы с высокими антифрикционными свойствами в этом случае играют роль твердой смазки и предотвращают накапливание на поверхности трения разрушений. При этом твердые составляющие структуры воспринимают внешние нагрузки и обеспечивают отсутствие деформаций [4]. Так, в баббитах роль твердой составляющей играют интерметаллиды вида SnSb [5].
Результаты исследований показывают, что при уменьшении размера интерметаллидов SnSb у баббитовых покрытий снижается как коэффициент трения, так и износ [6]. При этом заметный эффект наблюдается только при уменьшении размера интерметаллидов менее 30 мкм, что очевидно связано с соотношением величины нагрузок и удельной поверхности этих фаз.
Согласно предлагаемому техническому решению размер интерметаллидных фаз в антифрикционном слое составляет 1…30 мкм (фиг.1, вид А), что обуславливает низкий коэффициент трения и высокую износостойкость покрытия.
Пример конкретного выполнения
Антифрикционное покрытие по предложенному техническому решению выполняли методом дуговой металлизации (аппарат АДМ-10, ток 160А, напряжение 28 В). На образцы из стали по ГОСТ 535-88 последовательно наносили подслой сцепления толщиной 0,1…0,2±0,1 мм из нихрома по ГОСТ 10994-74 и антифрикционный слой толщиной 1,5±0,1 мм из баббита по ГОСТ 1320-74.
Контроль толщины нанесенных слоев осуществляли с помощью магнитного толщиномера МТ-201М.
Для определения размера интерметаллидных фаз в антифрикционном слое на его поверхности подготавливался микрошлиф в следующей последовательности: а) шлифовка на шлифовальных шкурках, полировка на мягком фетре с использованием пасты ГОИ на шлифовально-полировальной установке NERIS ЗE881; б) травление двухпроцентным раствором азотной кислоты в спирте. Протравленные и высушенные микрошлифы исследовали в отраженном свете с использованием металлографических микроскопов ПОЛАМ Р-312 и Neophot 32. Микроструктуру фотографировали цифровой видеокамерой Lumenera LU375C.
На основе анализа полученных изображений с помощью программного комплекса SIAMS Photolab и анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел SIAMS 700 установлено, что размер интерметаллидов SnSb в антифрикционном слое составляет 1…30 мкм, благодаря чему в предлагаемом техническом решении обеспечиваются высокие показатели трибологических свойств антифрикционного покрытия.
Шероховатость нанесенного подслоя сцепления и антифрикционного слоя определялась с помощью профилометра Surftest SJ-201. Установлено, что параметр шероховатости для подслоя сцепления составляет Ra 12,5…100 мкм, в то время как для антифрикционного слоя Ra 6,3…10,0 мкм. Таким образом, шероховатость нанесенного подслоя сцепления в 2…10 раз выше шероховатости нанесенного антифрикционного слоя, благодаря чему в предлагаемом техническом решении обеспечивается высокая адгезионная прочность антифрикционного покрытия.
Определение коэффициента трения ƒmp, образцов антифрикционного покрытия в виде призм 6х6х12 мм с покрытием на торце 6х6 мм выполняли на следующих режимах, характерных для поверхностей скольжения: давление в зоне трения 1…6 МПа (нагрузка 80…480 Н), скорость скольжения 1,3…6,5 м/с (частота вращения 200…1000 об/мин), материал контртела - сталь ШХ-15, смазка - масло турбинное ТП-22. Интенсивность изнашивания, мкм/км, антифрикционных покрытий определяли по методу отпечатков [7] при давлении 1 МПа и скорости скольжения 6,5 м/с на пути 150 км.
α
α
2
На фиг.2 показана методика определения адгезионной прочности антифрикционного покрытия. Здесь а) образец с антифрикционным покрытием; б) матрица; в) схема нагружения. Адгезионную прочность σ, МПа, образцов антифрикционного покрытия при испытаниях на срез определяли как отношение срезающего усилия к площади испытываемого покрытия σ=P/F где Р - срезающее усилие, Н, F - площадь испытываемого покрытия, м (фиг.2).
На фиг.3 показаны результаты испытаний по определению коэффициента трения антифрикционного покрытия в зависимости от давления в зоне трения при скоростях скольжения 1,3, 3,3 и 6,5 м/с. Коэффициент трения антифрикционного покрытия в заданном диапазоне нагрузочно-скоростных режимов находится в интервале значений от 0,008 до 0,02.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в таблице 1.
Техническое решение позволяет снизить коэффициент трения по сравнению с прототипом в 2 раза, интенсивность изнашивания в 3,4 раза, при повышении адгезионной прочности покрытия в 1,7 раза и, как следствие, обеспечить повышение работоспособности узлов трения, таких как вкладыши подшипников скольжения.
Таблица 1
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом
Виды технического результата и их размерность
Показатели фактические или расчетные
Объяснение, за счет чего (отличительный признак и/или их совокупность) стало возможным улучшение показателей предложенного объекта по сравнению с прототипом
прототипа
заявляемого объекта
Коэффициент трения
0,02
0,01
Размер интерметаллидных фаз в антифрикционном слое 1…30 мкм
Интенсивность изнашивания, мм
0,017
0,005
Адгезионная прочность, МПа
35
60
Подслой сцепления выполнен с шероховатостью в 2…10 раз выше шероховатости антифрикционного слоя
Литература
1. Потехин Б.А., Глущенко А.Н., Кочугов С.П. Влияние способов подготовки поверхности на адгезионную прочность соединения сталь (чугун) - баббит // Ремонт, восстановление и модернизация. 2005. №7. С.13-16.
2. Потехин Б.А., Илюшин В.В., Христолюбов А.С. Влияние способов литья на структуру и свойства оловянного баббита // Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. №8. С.18-23.
3. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс - М.: Машиностроение, 1966. - 432 с.
4. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. - М.: Наука, 1981. -128 с.
5. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 648 с.
6. Коробов Ю.С., Невежин С.В., Филиппов М.А., Гоголев Л.В., Илюшин В.В., Потехин Б.А. Сравнение трибологических характеристик баббитовых покрытий, полученных активированной дуговой металлизацией и альтернативными методами. // Сварка и диагностика. 2012. №1. С.36-39.
7. Крагельский И.В. Трение и износ. Изд. 2-е пераб. и доп.М.: Машиностроение, 1968. 480 с.