СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ УЗЛА ТРЕНИЯ
TREATMENT METHOD OF WORKING SURFACE OF FRICTION ASSEMBLY PART

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении новых и восстановлении изношенных металлических деталей узлов трения различных машин и механизмов, а также для увеличения ресурса и надежности пар трения за счет нанесения, по крайней мере, двух совмещенных покрытий.
Известен способ восстановления размеров отверстий в деталях из чугуна, заключающийся в нанесении антифрикционного покрытия из меди электроискровой наплавкой (электроискровым легированием) и последующей его механической обработки (патент РФ 2173731 C1, МПК C23C 4/12, опубл. 20.09.2001). Недостатком данного способа является то, что нанесение меди в качестве износостойкого покрытия повышает износостойкие и антифрикционные свойства узла трения в недостаточной степени, что часто не обеспечивает желаемой продолжительности срока их службы.
Известен наиболее близкий по технической сути и достигаемому положительному эффекту способ обработки рабочей поверхности детали узла трения для придания ей износостойких и антифрикционных свойств (патент РФ 2319790 C1, МПК C23C 28/00, опубл. 20.03.2008 - прототип). Способ включает создание защитного покрытия поверхности путем ее электроискрового легирования электродом, выполненным из материала на основе меди, механическую обработку покрытия путем шлифования со съемом 10-30% толщины покрытия, натирание материалом на основе меди, пассивацию и сушку, после чего на обработанную поверхность наносят композицию на основе мыльной пластичной смазки, содержащую медь, политетрафторэтилен и борат гликоля. Данный способ обеспечивает увеличение продолжительности срока службы деталей узлов трения путем повышения их противоизносных и антифрикционных свойств за счет использования в покрытии вместо меди материалов на ее основе, в частности бронзы, и дополнительного применения пластичной смазки. Однако использование данного способа для повышения износостойких и антифрикционных свойств поверхностей деталей высоконагруженных узлов трения скольжения (при давлении порядка 10,0 МПа и более) и узлов трения оборудования, применяемого при перекачивании интенсивных потоков жидкости, не дает в полной мере ожидаемого положительного эффекта. Это объясняется быстрым выдавливанием и вымыванием из зоны контакта пластичной смазки. Так испытание данного технического решения в узле трения шиберной задвижки нефтепровода показало удаление предлагаемой композиции из зоны трения шибер - уплотнительное кольцо уже после двух-трех циклов срабатывания задвижки.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение коэффициента трения и повышение износостойкости рабочей поверхности деталей высоконагруженных узлов трения и узлов трения оборудования, применяемого при перекачивании интенсивных потоков жидкости, включая химически агрессивные жидкости и нефть.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе обработки рабочей поверхности детали узла трения, включающем создание защитного покрытия поверхности путем ее электроискрового легирования электродом, выполненным из материала на основе меди, и механическую обработку покрытия, после электроискрового легирования на защитное покрытие дополнительно наносят раствор поливинилиденфторида в полярном апротонном растворителе и осуществляют поверхностный нагрев нанесенного раствора при температуре 170-270°C до монолитизации поливинилиденфторида, а механическую обработку покрытия осуществляют после монолитизации поливинилиденфторида путем пластического деформирования. При этом пластическое деформирование осуществляют методом выглаживания, обкатывания или раскатывания.
Способ согласно изобретению осуществляют следующим образом. Сначала на рабочую поверхность узла трения электроискровым легированием наносят покрытие электродом, выполненным из материала на основе меди. В качестве материала, используемого для электрода, могут применяться различные марки износостойких сплавов на основе меди, в частности сплав твердый безоловянной бронзы марки БрАЖМц 10-3-1,5 или БрАМц9-2. Процесс электроискрового легирования осуществляют на стандартном оборудовании для электроискровой обработки металлов, например марки ЭЛИТРОН, при рабочем токе 0,5-10 A. Режимы работы оборудования и модель установки выбирают в зависимости от необходимой толщины наносимого покрытия и заданной производительности процесса. В отличие от прототипа после электроискрового легирования механическую обработку (шлифование) сформированного основного покрытия (из материала на основе меди) не производят, чем достигается экономия материала и сохраняется получаемая при электроискровой обработке развитая поверхность основного покрытия (наличие микронеровностей сложной структуры и открытых пор). После нанесения основного покрытия на него методом распыления, кистью или поливом наносят раствор поливинилиденфторида в полярном апротонном растворителе. В качестве раствора поливинилиденфторида в полярном апротонном растворителе используют, например, насыщенный раствор в диметилформамиде, диметилсульфоксиде или диметилацетамиде порошка фторопласта-2М марки «Д» по ТУ 6-05-1781-84 или его зарубежных аналогов (Kynar, Solef и др.). Затем осуществляют поверхностный нагрев нанесенного раствора, например, пламенем газовой горелки или ИК-излучением при температуре 170-270°C до монолитизации поливинилиденфторида. Температура нагрева раствора выбрана из условия достижения монолитизации поливинилиденфторида (температура плавления около 170°C) и недопущения его термической деструкции (наступает при температуре более 270°C). После монолитизации поливинилиденфторида на поверхности основного покрытия образуется дополнительное полимерное покрытие, толщина которого зависит от исходной шероховатости основного покрытия. Экспериментально установлено, что при этом суммарная толщина защитного покрытия увеличивается на несколько мкм (до 10 мкм). Затем осуществляют механическую обработку полученного защитного покрытия путем пластического деформирования при скольжении по нему или перекатывании цилиндрического инструмента под давлением порядка 100-200 МПа (методом выглаживания для плоских рабочих поверхностей, обкатывания для деталей типа вал и раскатывания для внутренних поверхностей деталей типа втулка). При пластическом деформировании происходит уменьшение шероховатости поверхности защитного покрытия, которое сопровождается повышением твердости поверхностного полимерного слоя и полным заполнением им микронеровностей и пор основного покрытия, что улучшает адгезию дополнительного покрытия к основному. Кроме этого происходит выравнивание выступающих вершин микронеровностей основного покрытия с уровнем поверхности дополнительного полимерного покрытия. В результате, как показала экспериментальная проверка и эксплуатационные испытания, комплексное использование дополнительного покрытия из поливинилиденфторида и механической обработки путем пластического деформирования позволяют на длительный срок в несколько раз снизить коэффициент трения защитного покрытия и как следствие повысить его износостойкость, особенно при работе деталей в высоконагруженных узлах трения.
2
Пример. Было нанесено защитное покрытие на поверхность отверстия (диаметр 40 мм) в стальных (ст. 40X13) втулках по известному способу (прототип) и согласно изобретению. В качестве электрода в обоих случаях использовали бронзу марки БрАЖМц10-3-1,5. Электроискровое легирование осуществляли на установке «Элитрон-22А» при рабочем токе установки 2,8 A. Толщина покрытия около 70 мкм. На образцах, обработанных согласно прототипу, дополнительно проводили шлифование покрытия со съемом 20% его толщины, натирание при давлении около 100 МПа порошком меди в среде из смеси глицерина с хлоридом меди, пассивацию в растворе окислителя и сушку, после чего на обработанную поверхность наносили композицию, содержащую, мас.%: порошка меди - 8, порошка политетрафторэтилена (Ф-4) - 5, бората гликоля - 5, пластичной смазки ЦИАТИМ-201 - 82. На образцах, обработанных согласно изобретению, дополнительно проводили нанесение 3% раствора порошка фторопласта-2М марки «Д» в диметилформамиде, сушку нанесенного раствора при помощи контролируемого пламени газовой горелки (температура в диапазоне 170-270°C) до полного испарения растворителя и монолитизации поливинилиденфторида, и механическую обработку полученного защитного покрытия методом раскатывания роликом под давлением 150 МПа. Затем из втулок с покрытием изготавливали образцы типа частичный вкладыш (сегмент втулки длиной 20 мм), которые испытывали на интенсивность изнашивания и коэффициент трения по стали при сухом трении и трении в нефти марки Urals. Триботехническое оборудование - машина для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1 (схема трения - «вал - частичный вкладыш», материал контртела - ст. 45, шероховатость поверхности контртела - Ra 0,25). Режимы проведения испытаний были выбраны исходя из граничных условий работы узлов трения запорной арматуры магистрального нефтепровода «Дружба» (контурное давление - 20,0 МН/м, скорость скольжения - 0,5 м/с). Интенсивность изнашивания определяли как отношение линейного износа к пути трения по результатам 100 часовых испытаний при выборке 10 образцов. Коэффициент трения определяли как среднее значение по выборке согласно показаниям машины после 10 часов испытания образцов. Результаты испытаний помещены в таблице.
Таблица
Результаты испытаний
Прототип
Согласно изобретению
Интенсивность изнашивания при сухом трении
2×10<sup>-10</sup>
5×10<sup>-11</sup>
Интенсивность изнашивания при трении в нефти
3×10<sup>-11</sup>
1×10<sup>-11</sup>
Коэффициент трения при сухом трении
0,2
0,1
Коэффициент трения при трении в нефти
0,1
0,05
Таким образом, способ согласно изобретению по сравнению с прототипом обеспечивает существенно меньшие значения величин интенсивности изнашивания и коэффициента трения как при сухом трении, так и трении в нефти. Испытания были осуществлены сотрудниками Института механики металлополимерных систем им. В.А.Белого НАН Беларуси и РУП «Гомельтранснефть Дружба».