The article describes the new methods of surface strengthening of metals by applying the antifriction nanoscale films. They can be optimized taking into account the properties of the materials and loading modes and are used both by the production of parts so and in repair and restoration of parts of friction units.
В числе новых эффективных средств технологического управления качеством интенсивно развиваются методы упрочнения поверхностей, имеющие размерность порядка 10-6–10-8 мм, использующие эффекты самоорганизации и эволюции структурного состояния материалов, деформируемых трением.
Одной из таких технологий является способ образования фторсодержащих защитных пленок.
Способ реализуют при обкатке изделий, когда в обкаточную жидкость вводят порошок фторированного графита (карбонофторида), имеющего структуру (CFx)n, в результате чего на поверхности образуются защитные пленки фторидов железа.
По данным испытаний, благодаря созданию таких пленок интенсивность износа уменьшается не менее чем на 25–30 %; число циклов нагружения до наступления выкрашивания в подшипниках возрастает до 30%, также повышается нагрузочная способность смазочного слоя; нагрузка заедания увеличивается не менее чем в 1,5 раза; демпфирование вибрации усиливается в 1,5–2 раза.
Образование фторсодержащих пленок реализуется при физико-химическом взаимодействии поверхностей с микропорошками фторированного графита (CFx)n, введенными в приработочную жидкость. В зоне трения частицы расслаиваются, на поверхностях сдвига обнажаются радикалы, несущие атомы фтора, которые реагируют с металлическими поверхностями и образуют на них эластичный слой фторидов железа, отличающийся от обычной окисленной поверхности своими свойствами (рис. 1).
а) х 1000 б) х 1000
Рис. 1. Изменения поверхности трения под действием присадки: а – исходная поверхность; б – на поверхности трения образована пленка фторидов железа FeF3
Разработанная в СамГТУ технология образования нано/микроразмерных пленок «металл-фтор» прошла испытания в лаборатории и при эксплуатации ряда машин: авиационных газотурбинных двигателей; двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тракторов, в газомоторных поршневых и роторных компрессорах, приводах и шпинделях металлорежущих станков; в гидрожидкости АМГ-10 шасси самолетов; в масляных СОТС при нарезании зубчатых колес, при протягивании и др.
Фторированный графит применяется в виде присадки к смазочным материалам, совместимой с распространенной номенклатурой отечественных и зарубежных масел, гидравлических жидкостей, пластичных смазок и СОТС, и по полученным данным превосходит зарубежные аналоги, о чем свидетельствуют результаты испытаний на машине трения МАСТ - 1 по ГОСТ 23.221-84 (рис. 2).
Рис. 2. Результаты испытания фторсодержащих присадок, введенных в масло М-5/10Г2: 1 - моторное масло без фторсодержащей присадки. Далее в масло введены: 2 - присадка LM фирмы Liqui Moly, 3 - присадка WM фирмы WYNN'S, 4 - SLA-1 фирмы Acheson, 5 - SLA-3 фирмы Acheson, 6 - присадка СамГТУ
При испытаниях технологии получены следующие результаты.
1. Газотурбинный двигатель НК-16 СТ наземного применения отработал 6 лет до капитального ремонта на газоперекачивающей станции «Карпинская» «Тюменьтрансгаза», на масле М8 с фторсодержащей присадкой СамГТУ вместо штатного масла МС-8П. Многие узлы трения двигателя – подшипники, уплотнения и другие – при ремонте износа практически не имели и были установлены на Казанском моторном заводе на следующий межремонтный срок. Обычно в ходе капитального ремонта замена подшипников производится в 90 % случаев.
2. Трехлетняя эксплуатация газомоторных компрессоров 10 ГКН на станции «Северная» «Лентрансгаза» показала, что введение фторсодержащей присадки в штатное масло МС-20 увеличивает износостойкость цилиндровых пар и других деталей компрессоров не менее чем на 30 %.
3. При введении карбонофторидов в пластичную смазку получено почти двукратное увеличение долговечности электрошпинделей.
На варианты смазочных материалов и фторсодержащей присадки получены авторские свидетельства и патенты РФ 1011676, 1030401, 1498052, 2017802, 2027745 и др. В 1994 г. фторсодержащая присадка награждена серебряной ме-далью на Брюссельской международной ярмарке.
По данным японской монографии «Новое в технологии соединений фтора» (Под ред. И.Исикавы. М.: Мир. 1984), фторированный графит используют в НАСА как добавку к маслам и пластичным смазкам.
В настоящее время отрабатывается технология образования фторсодержащих пленок на деталях пускового турбостартера ТС-12М, используемого для запуска газотурбинных авиадвигателей. Его узлы трения смазываются реактивным топливом. Отработаны технологии обкатки подшипников стартера (5 наименований) и зубчатых колес планетарной передачи.
Вторым примером наноразмерного упрочнения поверхностей является способ диффузионного молекулярного армирования поверхностей деталей машин по патенту РФ №2 198954. Способ реализуют путем диффузионного внедрения наночастиц или активных органических молекул вглубь металла по выходам на поверхность дефектов кристаллической решетки материала, см. рис. 3. В результате армирования на поверхности образуется модифицированный (пассивированный) слой, «прошитый» прочными цепочками химически связанных атомов, выполняющими роль арматуры в металлической решетке, что иллюстрирует рис. 3.
Рис. 3. Схема пассивации поверхностных дефектов
Диффундировавшие по линейным дефектам вглубь материала наночастицы одновременно производят два действия. Во-первых, закрепляют дефекты, не давая атомам металла смещаться относительно друг друга под действием напряжений и генерировать новые дефекты, и, во-вторых, инактивируют поверхность, препятствуя взаимодействию активных ядер, выходящих на поверхность дислокаций с активными частицами окружающей среды, что и обусловливает ресурсоповышающий эффект и коррозионную стойкость этого способа.
Технология молекулярного армирования поверхностей деталей содержит два этапа. На первом этапе производят подготовку поверхностей к молекулярному армированию – их мойку и слабое травление. На втором этапе производят операцию молекулярного армирования. Детали погружают в технологическую термоактивируемую (порядка 80–90°С) органическую жидкость, например, масло индустриальное, с внесенными частицами фторированного графита (CFx)n и возбуждают вибрацию f?120Гц, А?1мм. Нагрев и вибрация вызывают разрушение органических молекул, образующих смазку, в местах их разрыва образуются активные реакционные связи. Эти связи и активные частицы (CFx)n взаимодействуют с активными центрами на поверхностях, проникают вглубь металла по линейным дефектам кристаллической решетки и армируют дефекты на поверхности обрабатываемой детали. Об эффективности нового способа свидетельствуют следующие результаты испытаний, таблица 1.
Таблица 1. Результаты испытания армированных деталей из стали 40Х
Наблюдаемое повышение износостойкости достигает 30 %, снижение и стабилизация силы трения на деталях клапанных систем космических аппаратов составило от 14 до 28 %.
Наномикроразмерный уровень имеет также разработанный в НТЦ «Надежность» способ мультисмазки.
Известно, что в тяжелонагруженных узлах трения всегда имеет место недостаточная нагрузочная способность смазочного слоя. При интенсивном динамическом нагружении в подшипниках качения (рис. 4), скольжения, кулачковых, зубчатых и других парах и особенно при ударном или вибрационном характере нагрузки контактные усилия крат-ковременно возрастают, смазочный слой при этом частично или полностью разрушается, происходит взаимодействие металлических поверхностей, их изнашивание и контактная усталость.
Рис. 4. Пример пары трения, где при динамическом нагружении разрушается слой смазки
В связи с отмеченным для тяжелых режимов нагружения большое значение приобретает неучитываемый фактор – адгезия (липкость) смазки к металлическим поверхностям пары.
Однако достаточно высокую адгезию смазки к поверхностям трения в современной триботехнике получить известными методами (введение ПАВ) не удается.
В НТЦ «Надежность» СамГТУ по патенту РФ № 2334909 предложено новое техническое решение, повышающее прочность смазочного слоя узлов трения различных машин и приборов под нагрузкой.
Повышение нагрузочной способности смазочного слоя получают путем введения промежуточного подслоя высоковязкой жидкости между металлической поверхностью и смазкой, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Структура промежуточного подслоя в роликовом подшипнике качения
В качестве материала подслоя подобран ряд жидкостей, обладающих высокой адгезией к металлическим поверхностям и одновременно к смазочным материалам, например, кремнийорганическая жидкость олигометилсилоксана от ПМС-500 по ТУ6-02-737-78 до ПМС-60000.
Выбор оптимальной жидкости для подслоя производят для каждой совокупности деталей пар трения путем оценки угла смачивания. Также выбирают и смазочную среду по оценке ее угла смачивания на поверхностях, покрытых слоем кремнийорганической жидкости, что в итоге позволяет достигать наилучшей смазывающей способности при всех реально доступных сочетаниях материалов.
Так, например, для повышения работоспособности роликовых подшипников переднеприводных автомобилей ВАЗ № 6 -77054 была выбрана жидкость марки ПМС-60000. Затем, подобным образом, на поверхности кольца покрытой слоем ПМС-60000 наносили штатную смазку, в данном случае для испытания было выбрано масло марки ТАД-17.
Перед испытаниями тщательно промытый и просушенный подшипник разбирали, на поверхности наружного кольца и роликов тампоном наносили слой жидкости марки ПМС-60000 (толщиной порядка 10 мкм). Затем подшипник собирали, производили прокрутку внутреннего кольца (30 сек.), для того чтобы ПМС-60000 равномерно распределилась на поверхности роликов, внутреннего кольца и сепаратора, устанавливали на испытательный стенд, подавали смазочное масло и проводили испытания.
При испытаниях оценивали: температуру саморазогрева, изменение момента трения, изменение уровня шума и изменение уровня вибрации, а эффективность способа по износостойкости оценивали на четырехшариковой машине трения по ГОСТ 9490-75.
Испытания подтвердили эффективность предложенного способа.
1. За время испытания (60 мин.) подшипник практически не нагревался; температура оставалась на уровне комнатной (Т?+250 °С).
2. Момент трения снижался на 17,6 %; уровень шума снижался до 2,0 дБ;
3. Уровень вибрации снижался на 1,5–2 дБ.
4. Пятно износа, при испытаниях на 4-шариковой машине трения уменьшилось на 30 и более процентов.
Дополнительно испытания мультисмазки были проведены на подшипниковых узлах ряда металлорежущих станков, указанных в таблице 2.
Таблица 2. Обьекты испытаний
(наименование, модель)
Все приведенные в таблице подшипниковые узлы при введении мультисмазки отработали в цехах ОАО «СПЗ» не менее 1,5–2,0 ресурсов.
При испытаниях мультисмазки (подслой ПМС-60000, смазка «Томфлон СК-250») в опорах скольжения шарошек буровых долот (консольный радиально упорный подшипник скольжения с промежуточной свободносидящей втулкой n=270мин-1) получены результаты, превзошедшие показатели наиболее эффективной антифрикционной смазки США, применяемой фирмой Smit (таблица 3).
Таблица 3. Параметры испытаний
Приведенные способы при их применении в конкретных изделиях могут быть модифицированы и оптимизированы с учетом свойств применяемых материалов и режимов нагружения, как при производстве новых изделий, так и при ремонте и восстановлении деталей узлов трения.
В настоящее время указанные в статье способы проходят дополнительную проверку в ряде изделий аэрокосмической техники, шпинделях металлообрабатывающего оборудования, в судовых дизелях и других машинах, что при положительных результатах позволит начать их широкое использование в машиностроении, системе технического обслуживания и ремонта машин.
Д.Г. Громаковский
НТЦ «Надежность» Самарского государственного технического университета
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Тел./факс 8(846)3321931
E-mail:pnms3@mail.ru
www.ntcnad.samgtu.ru
"