СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ С ЗАДАННОЙ ВЕЛИЧИНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ
METHOD FOR FORMATION OF SURFACE LAYERS IN PARTS WITH PRESET VALUE OF THEIR WEAR INTENSITY

Изобретение относится к способам формирования поверхностных слоев деталей с заранее заданными триботехническими свойствами.
Известно, что в существующих машинах и механизмах, в целях достижения высокой износостойкости трущихся сопряжений при новом изготовлении, при производстве запасных частей, а также в эксплуатации при технических осмотрах на поверхностях деталей машин посредством специальных видов обработки поверхностей и формирования на них покрытий из широкого спектра материалов получают улучшенные триботехнические показатели пар трения, которые позволяют увеличить ресурс машин в целом.
Однако до настоящего времени отсутствуют способы подбора требуемых характеристик материалов поверхности деталей для достижения заданных показателей надежности механизмов.
В связи с большим разнообразием материалов и видов обработки поверхности деталей в качестве критерия изнашивания следует принять универсальный параметр - интенсивность изнашивания, равный отношению величины линейного износа по площади контакта к единице пути под нагрузкой, вызывающей данный износ. Подобный параметр описан в [1, 2].
Известен метод оценки износостойкости поверхностей пар трения деталей машин [2], который для расчета износа при стационарных режимах использует 4 вида характеристик материала и поверхности, из которых фрикционно-усталостные характеристики и характеристики микрогеометрии поверхностей трения получают экспериментальным путем или по аналогам после получения поверхности.
Недостатком методики является то, что получаемые объекты для определения их интенсивности изнашивания необходимо испытывать, а в расчетном методе для определения исходной характеристики требуются характеристики микрогеометрии поверхности.
Известен способ безразборного восстановления эксплуатационных параметров пар трения [3], в котором применяются порошковый материал, полученный химическим путем. При этом техническим результатом является снижение эксплуатационных расходов без указания интенсивности изнашивания.
Недостатком способа является то, что фиксированный по вещественному составу материал используют для формирования поверхности при эксплуатационных нагрузках, при этом параметры интенсивности изнашивания поверхности не определяются для каждого конкретного случая условий работы пары трения.
Известен способ [4] образования защитного покрытия, избирательно компенсирующего износ поверхностей трения и контакта деталей машин. Используется порошок фиксированного состава, содержащий природные минералы. При этом техническим результатом является образование покрытия, получаемого при замещении атомов магния в применяемом порошке на атомы железа.
Недостатком способа является то, что характеристики получаемого покрытия зависят от состава основного материала детали, а интенсивность изнашивания зависит от ряда случайных факторов.
Еще один способ формирования покрытий деталей заявлен в [5]. При данном способе образуют двухслойное покрытие с выбором свойств применяемых материалов и тройной пластической обработкой поверхности детали. При этом способе применяют уже две группы материалов, обладающих известными механическими характеристиками, причем возможен подбор материалов для конкретных условий.
Недостатками этого способа является отсутствие режимов поверхностной обработки и критериев подбора материалов по механическим характеристикам.
Таким образом, из описания приведенных аналогов видно, что такие эксплуатационные характеристики покрытия, как интенсивность изнашивания поверхности при заданных условиях заранее не прогнозируются и определяются только при проведении последующих испытаний, что не дает возможности полностью решить задачу установления заданной скорости изнашивания поверхности при проектировании изделия.
В качестве прототипа выбран способ формирования антифрикционных покрытий на металлических поверхностях пар трения, включающий пластическое деформирование поверхности и применение двух видов материалов [5] ввиду возможностей наиболее широкого выбора как режимов пластической деформации, так и характеристик применяемых материалов.
Как и предыдущие аналоги, прототип имеет те же недостатки - отсутствие режимов поверхностной обработки и критериев подбора материалов по механическим характеристикам, способных обеспечить заданную интенсивность изнашивания поверхности.
Однако при конструировании машин и механизмов стоит задача обеспечения заданного уровня надежности пар трения за счет подбора материалов поверхности по заданной интенсивности изнашивания.
Прототип не может удовлетворить эти требования, поскольку не устанавливает принципов выбора материалов.
В основу изобретения поставлена задача создания способа выбора материалов и методов поверхностной обработки, при которых интенсивность изнашивания поверхностей трущихся деталей соответствует заданным значениям.
Технический результат - заданная интенсивность изнашивания поверхности достигается путем выбора материала поверхности детали и его обработки по критериям на базе объемных энергетических параметров веществ, по характеристике удельной работы пластической деформации [6] и заданным параметрам давления в зоне контакта и коэффициента трения. При этом задают величину интенсивность изнашивания [7] каждой поверхности детали данной пары, коэффициент трения, расчетное номинальное давление, определяемое с помощью геометрических параметров пары трения, вычисляют величину напряжения среза адгезионной связи на площади контакта [1] в виде произведения половины расчетного номинального давления на площади контакта и величины коэффициента трения, в условиях стационарного режима процесса трения заданную величину интенсивности изнашивания материала приравнивают к числу интенсивности изнашивания выбираемого материала поверхностного слоя деталей пары трения и по вычисленному напряжению среза адгезионных связей определяют требуемую величину удельной объемной энергии пластической деформации материала поверхности, метод и режим формирования покрытия из выбранного материала и (или) вид поверхностной обработки основного материала детали выбирают таким образом, чтобы при этом достигались требуемые значения удельной объемной энергии пластической деформации материала поверхностного слоя.
При этом поверхности обоих деталей, составляющих пару трения, могут образовываться одинаковыми материалами с энергоплотностью не ниже 80 кДж/см.
Примеры конкретной реализации.
-12
2
тр
Пример 1. Подбор материала покрытия для поршневого компрессионного кольца автомобиля ВАЗ. Материал штатного кольца - чугун, с твердостью HV 380, средняя интенсивность изнашивания кольца [1,2]3×10. Коэффициент трения в сопряжении кольца с втулкой цилиндра К=0,03; давление в зоне контакта 7,5 кгс/мм.
-14
2
2
тр
С целью повышения ресурса кольца задана интенсивность изнашивания J=8×10, коэффициент трения К=0,02 при том же давлении в зоне контакта, что и в штатном варианте. Требуемая в соответствии с вышеизложенной методикой удельная энергия пластической деформации материала поверхности составляет 1740 кгс/мм. При этом твердость материала поверхности - HV 540. В качестве материала покрытия выбран серпентинит с исходной средней твердостью HV 480 и из него сформировано с использованием ультразвукового устройства покрытие на рабочей части компрессионного кольца толщиной 0,045 мм с твердостью HV 520-550 и средним значением удельной объемной энергии пластической деформации 1730 кгс/мм. Ресурсные испытания данного кольца показали интенсивность изнашивания
-14
J=4,8×10.
Пример 2. Подбор материала для снижения интенсивности изнашивания лабораторного образца из стали Ю3.
2
-12
При испытаниях на машине трения по методу ролик-ролик двух образцов из стали Ю3 без покрытия с твердостью HV 180 были при стационарном режиме получены следующие результаты: давление в зоне контакта 1,75 кгс/мм, коэффициент трения 0,095 и интенсивность изнашивания J=1,59×10.
-13
2
2
2
-14
Задана интенсивность изнашивания J=2×10, коэффициент трения 0,02 и давление в зоне контакта 5 кгс/мм. Требуемая в этих условиях величина объемной удельной энергии пластической деформации составляет 850 кгс/мм. По этим условиям выбран серпентинит с твердостью HV 320-380 и из него сформировано методом напрессовки порошка покрытие с твердостью в поверхности HV 370 и средним значением удельной объемной энергии пластической деформации 1200 кгс/мм. Ресурсные испытания ролика в паре с колодкой показали интенсивность изнашивания J=9,8×10.
Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет аналитически определять среднюю интенсивность изнашивания при стационарном режиме и задавать с определенной точностью величину износов на уровне конструирования изделия.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчета на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977, 526 с.
2. ГОССТАНДАРТ СССР. ВНИИНМАШ. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин. М.: Издательство стандартов. 1979. 100 с.
3. Давыдов В.А., Давыдов В.В. Патент RU 2199609. Способ безразборного восстановления эксплуатационных параметров трения.
4. Никитин И.В. Патент RU 2135638. Способ образования защитного покрытия, избирательно компенсирующего износ поверхностей трения и контакта деталей машин.
5. Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю. Патент RU 2210626. Способ формирования антифрикционных покрытий на металлических поверхностях пар трения.
6. Лазарев С.Ю. К вопросу об универсальной шкале твердости. Обогащение руд. 1997. №5, с.28-32.
7. Лазарев С.Ю., Токманев С.Б., Хмелевская В.Б. К вопросу о критериях выбора природных минеральных материалов и других веществ для покрытий разного назначения. Металлообработка. 2006. №3, с.28-35.