Диплом1 / MOLYKOTE
.dochttp://www.plasmacentre.ru (нет плазменной модификации, плазменной наплавки)
Технология нанесения антифрикционных покрытий Pb-Sn-Sb, Pb-Sn-Cu
Назначение
Нанесение антифрикционных покрытий на трущиеся металлические поверхности. Технология формирования покрытий основана на использовании процесса гальванического осаждения трехкомпонентных сплавов, характеризующихся более высокой твердостью и износостойкостью по сравнению с двухкомпонентными сплавами Pb-Sn. Технология применяется для изготовления или восстановления узлов трения, в том числе вкладышей подшипников.
Характеристики
Коэффициент трения < или =0,06
микротвердость, H-50 МПА 90-115
сцепление покрытия с основой, Н/мм кв 800 и более
предел прочности , кг до 500
интенсивность изнашивания
по сравнению со сплавами Pb-Sn в 1,5 -2 раза меньше
скорость осаждения, мкм/мин 1-1,5
Преимущества:
простота эксплуатации электролита
большие рабочие толщины покрытия (до 300 мкм)
возможность одновременного нанесения покрытия на большое количество деталей
хорошая прирабатываемость трущихся поверхностей
низкий износ контртела
Расчет на износ плунжерных пар насосов высокого давления
Руднев В.К., Мясищев В.Н. Россия, Орел, ОрелГТУ
В докладе представлен механизм износа и математическое описание износа плунжерных пар высокого давления.
Значительное число отказов в работе дизельных двигателей строительных и дорожных машин приходится на топливную аппаратуру, в том числе на плунжерные пары топливных насосов высокого давления.
Большинство исследователей считает, что плунжерные пары подвергаются абразивному износу частицами, находящимися в механических примесях загрязняющих топливо. Исходя из этого построены различные методы расчета плунжерных пар [1], [2] насосов высокого давления на износ. Однако эти методы не в полной мере отражают механизм износа плунжерных пар, взаимодействия абразивных частиц с поверхностями трения.
Механизм износа плунжерных пар представляется следующим. При нагнетании топлива под действием давления, в результате всестороннего сжатия, плунжер изнашивается, а втулка расширяется. Поскольку давление топлива по длине плунжера падает, уменьшаются соответственно деформации плунжера и втулки. Вследствие этого зазор между плунжером и втулкой приобретает клиновидную форму. При этом поверхность клина шероховатая. Под действием давления в зазор вместе с топливом поступают абразивные частицы, которые при перемещении плунжера заклиниваются между шероховатыми поверхностями плунжера и втулки. В зависимости от величины деформации абразивные частицы в зазоре могут дробится, выходить из зазора целыми или разрушаться от усталости [2]. В любом из названных случаев частицы оставляют на поверхности плунжера и втулки следы, суммируя объемы которых можно определить скорости изнашивания плунжера и втулки. По мере износа растет зазор между втулкой и плунжером, вследствие чего увеличивается и размер поступающих в зазор абразивных частиц. При этом по сравнению с начальным зазором размер частиц, поступающих в зазор изношенных пар, увеличивается почти на порядок. С увеличением размера частиц их прочность уменьшается, что целесообразно учитывать для данного случая.
При втягивании плунжера давление топлива практически отсутствует, деформации плунжера и втулки нет, и попавшие ранее в увеличенный зазор абразивные частицы защемляются в зазоре. При этом плунжер как бы выдергивается из заклинившихся частиц, которые оставляют более глубокие следы на поверхности плунжера и втулки. Это объясняет тот факт, что в процессе износа плунжер заостряется к торцу.
Изложенные представления о процессе получили математическое описание. Величина износа плунжерной пары И за время работы t составит:
И = (ИПл + ИВт)t;
где скорости изнашивания плунжера и втулки соответственно:
ИПл =К |К|ПлПц/pdПлlПл *(ИПлинПа + ИПливПа|),
ИВт =К |К|ВтПц/pdВтlВт*(ИВтинПа + ИВтивПа|),
где dПл,dВт – соответственно, диаметр плунжера и втулки;
lПл, lВт – соответственно, длина плунжера и втулки;
К|, Пц – соответственно, коэффициент учитывающий количество абразивных частиц в общей массе загрязнений и число циклов работы плунжерной пары за час;
К|цл,К|Вт – число контактов абразивной частицы с поверхности соответственно, плунжера и втулки за цикл;
Па,П|а – число абразивных частиц взаимодействующих с поверхностями плунжера и втулки соответственно, при нагнетании и всасывании топлива;
ИПлин, ИВтин – соответственно, объемный износ вызываемый абразивной частицей на поверхности плунжера и втулки при нагнетании топлива;
ИПлив, ИВтив – соответственно, объемный износ вызываемый абразивной частицей на поверхности плунжера и втулки при всасывании топлива.
Приведенные выше величины определяются подобно изложенному в работах [1], [2]. Особенностью приведенного расчета является то, что по мере износа меняются исходные величины для расчета, т.е. величина зазора, средний диаметр абразивной частицы, их количество и т.п. Для этого разработан соответствующий алгоритм расчета.
ФИНИШНОЕ ПЛАЗМЕННОЕ УПРОЧНЕНИЕ (ФПУ) ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ (ПК)
уникальный метод повышения долговечности и характеристик трения подшипников качения, значительно увеличивающий эксплуатационную надёжность технологического оборудования, сокращающий количество аварийных выходов из строя машин и механизмов, простоев технологических линий, снижающий до минимума расход подшипников
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА состоит в финишной обработке одного или нескольких элементов трения (внутреннего или наружного кольца, комплекта тел качения) ПК путём поверхностного воздействия высокоэнергетической, насыщенной специальными реагентами движущейся плазменной струи, генерируемой при атмосферном давлении малогабаритным плазмотроном, с образованием тонкоплёночного (1-3 мкм) износостойкого покрытия и одновременным осуществлением процесса повторной закалки тонкого подплёночного слоя. При этом температура нагрева элементов ПК не превышает 100-120 оС.
ЦЕЛЬ ПРОЦЕССА - обеспечение повышенной надёжности, долговечности, безотказной работы ПК различных типов и габаритов, используемых в узлах машин, оборудования, приборов за счёт изменения рабочих характеристик ПК: увеличения быстроходности; уменьшения момента трения (“момента трогания”); снижения шумности работы, длительности приработки, расхода смазочных материалов; возможность эксплуатации в экстремальных ситуациях без подвода смазки; повышения фреттинго- и коррозионностойкости, надёжности против заедания; лёгкости хода и др.
ЭФФЕКТ от ФПУ ПК определяется широким спектром сложных и многогранных механизмов упрочнения, а именно:
нанесение тонкоплёночного аморфного покрытия с повышенной микротвёрдостью, низким коэффициентом трения, пассивирующими и диэлектрическими свойствами;
создание сжимающих остаточных напряжений на поверхности;
образование в подплёночном тонком слое структуры и фазового состава с высокой твёрдостью и дисперсностью;
создание в основном металле слоя с пониженной твёрдостью, играющего демпфирующую роль;
увеличение числа и плотности дислокаций на границе основного металла;
регуляризация топографии субмикрорельефа и параметров поверхностного слоя.
Главный упрочняющий механизм процесса ФПУ ПК состоит в формировании на поверхности трения износостойкого оксикарбидного аморфного покрытия с особыми свойствами.
ОБОРУДОВАНИЕ для ФПУ ПК включает в себя источник тока, переносной блок аппаратуры с жидкостным дозатором и малогабаритный плазмотрон. Источником тока может служить серийный сварочный выпрямитель, использующийся на любом машиностроительном предприятии для ручной дуговой сварки. Жидкостный дозатор особой конструкции предназначен для дозированной подачи паров специального жидкого препарата в плазменную струю. Для создания относительного перемещения деталей ПК и плазмотрона используются любые манипуляторы и вращатели.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ФПУ ПК проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом, например, промывкой в бензине Б-70 с помощью щетинных щёток, кисточек, салфеток), дефектации (например, визуальным осмотром под бинокулярным
микроскопом при 10-50 -кратном увеличении и другими методами), сравнении выявленных дефектов (например, дефектов металла, обработки, сборки) с допустимыми дефектами на эталонах и - непосредственно ФПУ элементов ПК путем их перемещения относительно плазменной струи. Скорость перемещения 1-10 мм/с, расстояние между плазмотроном и обрабатываемой поверхностью 10-15 мм, диаметр пятна упрочнения 10-12 мм, толщина наносимого покрытия 1-3 микрометра. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, исходным материалом для образования износостойкого покрытия является жидкий препарат СЕТОЛ, свободно поставляемый заказчику. Расход препарата СЕТОЛ не превышает 0,5 г/час, что составляет менее 1 кг в год. После ФПУ на элементы, подвергнутые обработке, наносится смазочный материал для консервации.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА осуществляется проверкой наличия и сравнением внешнего вида покрытия на обработанной поверхности и на эталоне (на рабочих дорожках должны наблюдаться ореолы радужных оттенков, не удаляемые промывкой в органических растворителях или воде), а также - другими методами.
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ при ФПУ ПК не накладывают ограничений для широкого использования данной технологии и определяются применением сварочных источников нагрева.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ ФПУ ПК: железнодорожный транспорт (вагонные и локомотивные буксы, буксы трамвайных вагонов, вагонов метро, шахтных вагонеток); агрегаты тяжелого машиностроения (прокатные станы и вспомогательное оборудование к ним); машины горного оборудования, дорожные машины, подъёмно-транспортное оборудование; авиационная, ракетная и оборонная техника; электрические машины малой и средней мощности; шпиндели быстроходных станков, коробки передач, редукторы; узлы авиадвигателей и авиационных агрегатов; агрегаты автомобилей, тракторов и сельскохозяйственнных машин; поворотные устройства, карданы и роторы гироскопов и др. изделия.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПРОЦЕССА
Транспортировка крупных электрических машин, осуществляемая на платформах по железной дороге в смонтированном виде, сопровождается воздействием вибрации, возникающей в вертикальном, продольном и поперечном направлениях, и вызванной небольшими переменными напряжениями при прохождении стыков рельс. При этом возникают повреждения рабочих дорожек элементов ПК в виде углублений, напоминающих следы внедрения ролика, с последующим появлением тёмной, как правило, - коричневой их окраской. Причиной этого является эффект фреттинг-коррозии, который приводит к появлению ослабления посадочных натягов колец и существенно снижает надёжность и долговечность ПК в целом по причине их вибрации и последующего перегрева, что ведёт к дисбалансу всей электрической машины. В большинстве случаев по прибытии на место эксплуатации электрическая машина требует разборки и замены ПК. Следует отметить, что в разобранном виде транспортирование машин неэкономично. Сравнительные испытания, проведённые в АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), по проверке состояния ПК типа 32220 (одного упрочнённого, другого серийного) в условиях транспортирования электрической машины ГСФ-200 железной дорогой по маршруту Санкт-Петербург - Барнаул и обратно показали полное отсутствие повреждений от фреттинг-коррозии упрочнённого ПК, в то время как на контрольном ПК имелись существенные повреждения.
Предварительные испытания ПК типа 32205 Д1, проведенные в АО «Самарский подшипниковый завод» (г. Самара) показали, что микротвёрдость поверхности рабочих дорожек колец, измеренная на приборе Хаузер при нагрузке 100 гс, составляет в переводе на твёрдость HRC 65-67, что на 2-5 условных единиц выше по сравнению с серийным кольцом; характер субмикрорельефа рабочих поверхностей колец, исследовавшийся на просвечивающем электронном микроскопе ЭММА-2 методом углеродно-серебряных реплик, показал высокооднородную характерную шероховатость, присущую поверхностям после ФПУ (в то время, как субмикрорельеф поверхностей дорожек качения серийного кольца имеет явно выраженные многообразные следы-риски от предшествующей механической обработки).
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА По сравнению с существующими технологиями изготовления элементов ПК, а также - используемыми методами упрочнения: химико-термической обработкой (цементацией, нитроцементацией), химическим осаждением покрытий из растворов (фосфатированием), применением твёрдых смазочных материалов на основе дисульфида молибдена, регуляризацией микрорельефа методом виброобработки и другими процессами, - ФПУ имеет следующие преимущества.
Высокая воспроизводимость и стабильность упрочнения за счёт двойного эффекта от износостойкого покрытия и структурных изменений в подплёночном слое (например, для ПК, изготавливаемых из стали ШХ4РП, имеется возможность выполнения только регламентируемой прокаливаемости, благодаря чему поверхности дорожек качения имеют оптимальную твёрдость, а глубинный металл - достаточную пластичность, что резко замедляет развитие усталостных трещин).
Вследствие нанесения тонкоплёночного покрытия толщиной не более 3 микрометров, укладывающегося в допуски на размеры деталей ПК, процесс ФПУ используется в качестве окончательной финишной операции (в отличие, например, от фосфатирования, после которого уменьшаются радиальные зазоры и посадочный диаметр внутреннего кольца за счёт толщины нанесённого фосфатируемого слоя, равного 10-20 мкм).
Проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн.
Образование специфического субмикрорельефа поверхности после ФПУ способствует равномерному его заполнению смазочным материалом, в то время, как серийные элементы ПК имеют предельно неоднородный микрорельеф, приводящий к дискретному контакту элементов ПК. В последнем случае действительная, т.е. фактическая, площадь контакта серийных элементов ПК, через которые передаются давления от одной поверхности к другой, составляет лишь малую часть от номинальной. Это приводит к большим контактным деформациям поверхностных слоёв, пластическому смятию наиболее выступающих неровностей и увеличению радиальных и осевых зазоров в ПК. Под действием циклических контактных напряжений отдельные неровности могут отделяться от поверхностного слоя, что приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей сопряжённых деталей и быстрому выходу ПК из строя.
Минимальный нагрев в процессе обработки (100-120 оС) не вызывает деформаций элементов ПК, а также позволяет упрочнять любые подшипниковые стали с низкой температурой отпуска (для стали ШХ15 температура отпуска составляет 150 оС).
Микротвёрдость композиции покрытие - сталь ШХ15, измеренная при нагрузке 50 гс с помощью прибора Микромет, на серийных элементах ПК в среднем равна 910 HV, а после ФПУ - составляет 1310 HV.
Возможность изготовления элементов ПК с регламентируемым изменением твёрдости поверхностных слоёв (например, дорожка качения, по меньшей мере, одного из колец может иметь твёрдость, монотонно снижающуюся к сердцевине), а также - с различной поверхностной твёрдостью в зависимости от требуемых свойств (например, тела качения могут иметь твёрдость меньше твёрдости материала, по меньшей мере, одной из дорожек качения не менее, чем на 2 единицы HRC).
Наносимое на поверхности трения покрытие является аморфным, которое характеризуется высокой химической гомогенностью и высокой степенью изотропности, низким уровнем физических дефектов (отсутствие границ зёрен, дислокаций, макро - и микросегрегаций, играющих роль активных центров в коррозионных процессах на кристаллических материалах), что предопределяет высокие защитные свойства к локальным видам коррозии, прежде всего - питтинговой.
Износостойкое аморфное покрытие, наносимое даже на одно из контактирующих тел качения, препятствует непосредственному контакту металлических поверхностей между собой (это особенно актуально, если в процессе трения образуются участки нарушения сплошности масляного слоя).
Диэлектрические свойства покрытия оказывают незаменимую роль в борьбе с воздействием паразитных токов, за счёт которых происходят пробои в смазочной плёнке в местах тел качения. (Возникающий при этом электрический разряд вызывает местный высокий нагрев металла, его вторичную локальную закалку и эрозию. На поверхности качения со временем образуются небольшие кратеры, а иногда даже крупные язвины. При дальнейшей работе ПК выступы кратеров сглаживаются и повреждения приобретают вид начавшегося усталостного выкрашивания.)
Диэлектрические свойства покрытия обеспечивают эффективный метод борьбы против возникновения повреждений на рабочих дорожках ПК, связанных с электроэрозионными эффектами. Это особенно актуально для ПК подвижного состава железнодорожного транспорта и трамваев, где используются смазочные материалы, обладающие низкой вязкостью с графитовыми добавками, а также имеется сопутствующая загрязнённость, что увеличивает возможность прохождения электрического тока. В случае требований повышенных электроизоляционных характеристик (при напряжениях выше 400 В) имеется дополнительная возможность нанесения электроизоляционного покрытия на все поверхности наружного кольца ПК.
Существует принципиальная возможность с использованием дополнительных усовершенствований создать электроизоляционное покрытие на элементах ПК с определённым электросопротивлением, которое будет обеспечивать изоляцию до требуемого предельного напряжения, а затем - пропускать ток. Это особенно важно для роликоподшипниковой колёсной пары железнодорожного транспорта, т.к. абсолютная электроизоляция рельсовых транспортных средств имела бы следствием при коротких замыканиях или действиях паразитных токов нежелательное нарастание контактного напряжения на кузове вагона. Для того, чтобы избежать этого явления необходимо создать возможность шунтирования изоляции при определённых напряжениях.
Образующаяся на поверхности диэлектрическая аморфная стеклообразная плёнка, позволяющая реализовать принцип «сосредоточения скольжения в промежуточном слое» (перенесение процесса смещений вовнутрь покрытия), препятствует повреждению элементов ПК от явления фреттинг-коррозии.
Создание на поверхностях элементов качения сжимающих остаточных напряжений, что является эффективным методом борьбы с усталостными разрушениями (как известно, основной браковочный признак подшипников в опорах с высокими радиальными нагрузками - усталостное разрушение).
Обеспечение повышенной лёгкости хода, основная роль которого сказывается на тяжелонагруженных опорах поворотных устройств ряда механизмов, где, фактически, вся мощность, а также - габариты и вес привода целиком определяются уровнем энергетических потерь в подшипниковом узле.
Уменьшение длительности приработки (под приработкой понимается изменение геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоёв материала в начальный период трения, проявляющееся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания; при этом происходит процесс стабилизации этих параметров).
возможность повышения износостойкости не только ПК, изготавливаемых из стали ШХ15, но и коррозионностойких ПК, изготавливаемых из стали 9Х18, используемых для работы в химически активных средах.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА При анализе экономической эффективности использования процесса ФПУ для повышения долговечности и надёжности ПК следует учитывать создание конкурентоспособной продукции на мировом рынке фирмами производителями ПК, применение ПК повышенного качества фирмами потребителями ПК, которые имеют экономию от снижения затрат, обусловленных выполнением гарантийных ремонтов и рекламациями эксплуатационников. Наибольшая эффективность достигается фирмами, эксплуатирующими технику с ПК, упрочнёнными методом ФПУ, за счёт их максимальной долговечности и надёжности при минимальных сроках окупаемости внедрённой технологии ФПУ (2-4 месяца).