Исследование влияния параметров формирования металлокерамических покрытий на триботехнические свойства сопряжения

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА_

УДК 621.797

Исследование влияния параметров формирования металлокерамических покрытий на триботехнические свойства сопряжения1

Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Л. Леонтьев, А. Г. Токликишвили

Долговечность узлов трения определяется износостойкостью трибосопряжения. Наиболее перспективным направлением повышения износостойкости узлов трения является создание на поверхностях трения металлокерамических покрытий, которые позволяют снизить коэффициент трения и скорость изнашивания сопряженных поверхностей. Обеспечение эксплуатационных свойств композиционного покрытия определяется химическим составом покрытия и параметрами его получения.

Для определения оптимальных параметров модифицирования гальванического хрома минеральными и органо-минеральными материалами были проведены сравнительные триботехнические испытания. Их выполняли при нагрузке 500 Н, с искусственным загрязнителем в течение 3 ч, так как при меньших нагрузках износ покрытия практически отсутствует. В качестве искусственного загрязнителя использовалась кварцевая пыль дисперсностью 1-5 мкм. Концентрация загрязнителя в топливе составляла 1 %. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (50-55 капель/мин). Подача смазки со скоростью менее 50 капель/мин капель не обеспечивает необходимое количество абразива в зоне трения, кроме того, абразив накапливается в дозаторе и нарушается постоянство его количества в смазке. Увеличение подачи смазки (более 60 капель/мин) приводит к образованию смазочного клина между образцами и уменьшению коэффициента трения, скорости изнашивания и температуры в зоне трения. Для смазки применялось дизельное топливо марки Л-0,5 [1]. Испытания на универсальной машине трения модели УМТВК (АО «АвтоВАЗ», Тольятти) проводили по схеме «ролик — ролик» в условиях

1 Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-

педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Проект «Технологическое обеспечение долговечности судового оборудования: исследования и разработка технологий упрочнения и восстановления прецизионных деталей топливной аппаратуры». Государственный контракт № 16.740.11.0398 от 3 декабря 2010 года.

граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,71 м/с. Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали ХВГ в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм, часть образцов покрывали гальваническим хромом. Перед проведением испытаний образцы полировали алмазной пастой до Яа < 0,063 мкм. В качестве неподвижного образца использовался ролик из стали ХВГ твердостью 60-61 ИИС. Предварительно образцы прирабатывались после упрочнения при нагрузке 300 Н в течение 5 мин.

На основании исследований образования ме-таллокерамических покрытий фрикционным методом было установлено, что основными параметрами модифицирования осадков хрома являются приведенное усилие прижатия ин-дентора к упрочняемой поверхности Р и время упрочнения £. Линейная скорость упрочняемой поверхности была постоянной и составляла 0,71 м/с. Модифицирование поверхности трения минеральными и органо-минеральны-ми материалами осуществляли фрикционным методом (неподвижный индентор из серого перлитного чугуна диаметром 45 мм прижимался к вращающимся образцу или упрочняемой детали). Модифицирующий состав, состоящий из минерального или органоминерально-го материала и дизельного топлива, наносился на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данная смесь подавалась в зону трения каждые 15-20 с капельным методом.

Детали и образцы предварительно хромировали в универсальном сернокислом электролите на режиме: температура электролита — 50 °С, плотность тока — 60 А/дм2, таким образом обеспечиваются наибольшая износостойкость хромового покрытия и оптимальная микротвердость в пределах 9120-9210 МПа (микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на инденторе 0,98 Н). Толщина хромового покрытия, составлявшая 12-15 мкм, необходима для восстановления большинства изношенных деталей.

Уровни факторов и интервалы варьирования были выбраны после серии предварительных

Таблица 1

Уровни факторов и интервалы их варьирования

Фактор Уровень факторов Интервал

нижний -1 основной 0 верхний +1 варьирования

Усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности Рп, Н/мм 20 30 40 10

Время упрочнения г, мин 1 5,5 10 4,5

Таблица 2

Матрица планирования и результаты экспериментов

Характеристика Номер опыта

1 2 3 4 5

Факторы:

г + - + - 0

Рп + + - - 0

Скорость изнашивания, мг/ч:

покрытия (вращающийся образец), Уп 0,43 0,33 1,13 1,03 0,73/0,70***

ХВГ (неподвижный образец), Ун 1,30 1,20 2,27 1,67 1,56/1,49**

Коэффициент трения 0,140 0,129 0,157 0,149 0,137

Температура в зоне трибоконтакта (максимальная), °С 99 97 100 0,137 98

* ^ В числителе приведена расчетная величина, полученная по формуле (1), в знаменателе - экспериментальное значение.

В числителе приведена расчетная величина, полученная по формуле (2), в знаменателе - экспериментальное значение.

экспериментов (табл. 1). Установлено, что усилие прижатия индентора менее 20 Н/мм не обеспечивает качественного упрочнения. Увеличение нагрузки более 40 Н/мм приводит к образованию дефектов на поверхности гальванического хрома в виде рисок или язвин, а иногда и к шелушению покрытия. Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в табл. 2. В качестве функций отклика выбраны величины скорости изнашивания композиционного покрытия и стального образца. Для получения композиционного покрытия использовали композицию 90 % серпентинита + 10 % силиката, модифицированного полисахаридом. В процессе триботехнических испытаний фиксировали следующие параметры: интенсивность (величину) изнашивания, силу (коэффициент) трения и температуру фрикционного разогрева. Для проверки адекватности полученных моделей опыты дополнительно проводились на нулевом уровне (режим 5, см. табл. 2).

В результате исследований получены зависимости величин скоростей изнашивания композиционного покрытия (1) и сопряженного образца из стали ХВГ (2) от параметров режима упрочнения хромового покрытия

Уп = 1,72 + 0,0Ш - 0,035Рп;

Наибольшее влияние на скорости изнашивания покрытия и сопряженной стали

ХВГ оказывает усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности (см. рисунок, 1 и 2). С увеличением усилия прижатия величины скоростей изнашивания уменьшаются. Несколько меньшее влияние на величины скоростей изнашивания оказывает время упрочнения, по мере его возрастания скорости изнашивания увеличиваются.

Коэффициент трения и максимальная температура в зоне трибоконтакта имеют минимальные величины при упрочнении в соответствии с режимом 2 (табл. 2). Оптимальным по всем триботехническим параметрам является режим упрочнения, при котором имеется максимальное усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности (40 Н/мм) и минимальное время упрочнения (1 мин).

Далее проводили испытания по модифицированию хромового покрытия путем применения ступенчатого нагружения. Было установлено, что такой вид нагружения позволяет снизить скорость изнашивания покрытия после приработки вследствие более быстрого образования вторичных структур и приспособляемости поверхностей трения к условиям работы. Было выдвинуто предположение о влиянии вида на-гружения при упрочнении гальванического хрома минеральными и органо-минеральны-ми материалами на износостойкость получаемого покрытия. Для его проверки была реализована ступенчатая схема увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности с интервалом 10 Н/мм. Минимальная

Таблица 3

Триботехнические свойства сопряжения «сталь ХВГ — хром, упрочненный композицией 90% серпентинита + 10% силиката, модифицированного полисахаридом» при ступенчатом нагружении при упрочнении

Параметр Приведенная нагрузка, Н/мм

20 24 30 36 40

Средняя скорость изнашивания, мг/ч: покрытия стали ХВГ Коэффициент трения Температура в зоне трибоконтакта (максимальная), °С 0,92 1,65 0,149 101 0,76 1,58 0,146 99 0,50 1,42 0,137 98 0,34 1,30 0,126 97 0,22 1,19 0,122 96

величина усилия составляла 10 Н/мм. Время воздействия при каждой нагрузке — 1 мин. Такая схема упрочнения позволила увеличить износостойкость покрытия при упрочнении с максимальной нагрузкой прижатия инденто-ра к детали в 1,4 раза (табл. 3, см. рисунок 1). Зависимость скорости изнашивания композиционного покрытия от максимального усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности имеет вид

Ул = 2,17 + 0,0006Рп2 - 0,073Рп, мг/ч.

Скорость изнашивания сопряженной детали из стали ХВГ после упрочнения хромового покрытия не зависит от схемы нагружения при упрочнении. Температура в зоне трибокон-такта и коэффициент трения практически не зависят от вида нагружения при упрочнении.

Зависимость скоростей изнашивания покрытия (1-3) и сопряженного образца из стали ХВГ (4, 5) от приведенной нагрузки и времени упрочнения:

1 — ступенчатое нагружение при упрочнении с интервалом нагрузок 10 Н/мм, время воздействия при каждой нагрузке 1 мин; 2 — 1 мин (мононагружение); 3 — 10 мин; 4 — 1 мин; 5 — 10 мин

Исследование композиционных покрытий с помощью рентгено-электронной спектроскопии позволило установить состав металлокера-мической пленки на глубине до 100 нм (% ат.): С = 56,23, О = 21,83, Сг = 10,89, = 3,78, А1 = 4,93, № = 1,78, Мп = 0,33, Ее = 0,23.

В результате упрочнения поверхности трения композицией «90 % серпентинита + 10 % силиката, модифицированного полисахаридом» динамическая микротвердость композиционного покрытия возрастает незначительно по сравнению с исходной (с 1043 до 1067 НУ), но при этом существенно уменьшается модуль упругости покрытия (с 2,4 до 2,1 Н/мм2). Динамическую микротвердость и модуль упругости композиционного покрытия определяли на ультрамикротестере для динамических испытаний твердости материалов БиН-2118 (Shimadzu, Япония). Максимальная нагрузка на инденторе Берковича составляла 246 мН, максимальная глубина отпечатка — 1,065 мкм.

Таким образом, упрочнение гальванического хрома композицией «90 % серпентинита + + 10 % силиката, модифицированного полисахаридом» при ступенчатом увеличении нагрузки (максимальная нагрузка — 40 Н/мм) и времени воздействия при каждой нагрузке в течение 1 мин позволяет повысить износостойкость хрома более чем в 8 раз. Нанесение композиционного покрытия на оптимальном режиме также позволяется уменьшить скорость изнашивания покрытия и сопряженной детали из стали ХВГ в 6 раз. При этом суммарная скорость изнашивания сопряжения в целом уменьшается в 6,3 раза. Следовательно, при восстановлении подвижной детали нанесением композиционного покрытия долговечность сопряжения возрастет не менее чем в 6 раз по сравнению с аналогичным параметром пары трения «хром — сталь ХВГ».

Литература

1. ГОСТ 305-82. Топливо дизельное. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. 10 с.