CC BY
35
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.892
АНТИФРИКЦИОННОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
© 2009 г. Д.В. Миньков*, А.С. Иванов*, С.П. Канюка**, О.М. Башкиров*, Е.Б. Седин*, А.И. Слугин*
^Scientific and Production Association «Orion VDM»
* *Южно-Российский государственный технический университет
*Научно-производственное объединение «Орион ВДМ» г. Новочеркасск
**South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
(Новочеркасский политехнический институт)
Рассмотрен состав трехслойного композиционного покрытия с полиимидной матрицей. В этом покрытии каждый слой и его компоненты имеют свое функциональное назначение. Проведенные лабораторные и промышленные испытания покрытия показали эффективность и возможность его использования в технологическом оборудовании производств химических волокон.
Ключевые слова: полиимидное покрытие, водородное изнашивание, водородная коррозия, шестеренный насос-дозатор, арамидные волокна.
The structure of a three-layer composite covering with a polyimide matrix is considered. There are each layer and the components have its functional purpose in this covering. An opportunity of the covering efficient using for process equipment of chemical fibres producing as a result of laboratory and industrial tests.
Keywords: polyimide covering, hydrogen wear process, hydrogen corrosion, gear proportioning pump, aramide fibres.
В связи с повышением объемов выпуска волокон, содержащих или выделяющих в процессе их производств водород, возникла необходимость в получении защитных покрытий на рабочих поверхностях деталей узлов трения технологического оборудования, подверженных наводораживанию.
Опыт многолетних исследований причин выхода из строя механизмов прядильных машин ОАО «Ка-менскволокно» показал, что основной причиной является коррозионно-механическое и водородное изнашивание узлов трения. Электро- и механохимические процессы в зонах трибосопряжений оборудования приводят к интенсификации анодного растворения металлов и сплавов поверхностей пар трения, их активному наводораживанию и разрушению в результате водородной коррозии [1 - 3]. На рис. 1, 2 показаны примеры водородного изнашивания поверхности трения стального вала шестеренного насоса 11НШ3,0 для дозирования растворов арамидных волокон и водородной коррозии контактирующего с валом отверстия чугунного корпуса этого насоса.
Рис. 1. Вал насоса: а - зоны водородного изнашивания
Рис. 2. Вид корпуса насоса со стороны шестеренного механизма: а - отверстие вала; б - отверстие для смазывания вала
В данной работе рассмотрено решение задачи создания антифрикционного композиционного покрытия для прецизионных деталей узлов трения оборудования, эксплуатируемого в агрессивных средах, при повышенных температуре и давлении. При этом покрытие должно не только защищать поверхность, на которую оно наносится, от коррозионно-механи-ческого и водородного изнашивания, но и снижать процессы изнашивания контактирующей с покрытием поверхности контртела.
Указанная задача решена путем создания антифрикционного композиционного трехслойного покрытия с полиимидной матрицей - лаком ПАК-1, в котором каждый слой и его компоненты имеют свое функциональное назначение. Внутренний слой выполнен из композиции, содержащей полиимидный лак -90 мас. ч. и алюмохромофосфатную связку - 10 мас. ч., промежуточный слой - из чистого полиимидного лака -100 мас. ч. и верхний слой - из композиции, содержащей полиимидный лак - 90 мас. ч., графит коллоидный - 8 мас.ч. и лецитин - 2 мас. ч.[4].
Использование полиимидного лака ПАК-1 в качестве матрицы слоев покрытия позволяет покрытию работать в узлах трения, эксплуатируемых в химически активных средах при температурах до 300 °С.
Высокие физико-механические характеристики полиимидов в сравнении с другими полимерами, в том числе твердость и предел прочности при растяжении, позволяют вести механическое шлифование и полирование полиимидных покрытий. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать промышленные партии деталей прецизионных механизмов со стабильно повторяющейся размерностью зазоров в три-босопряжениях.
Высокие смачивающие свойства полиимидного лака и связанная с этим равномерная толщина наносимого слоя позволяют наносить покрытия обычными методами, например окунанием, кистью или распылением пульверизатором.
Внутренний слой полиамидного покрытия - «адгезионный» - служит для повышения адгезии полимерного покрытия к металлической поверхности, например поверхности приводного вала шестеренного насоса. Введение алюмохромофосфатной связки, относящейся к неорганическим клеям, в полиимидную матрицу позволило создать внутренний слой с высокой адгезией к металлической подложке, который выдерживает нагрев до 300 °С и сохраняет при этом высокую твердость. Этот слой по своим физико-механическим характеристикам, в том числе прочности при сжатии, растяжении, ударе и изгибе значительно превосходит характеристики других органических покрытий.
Промежуточный слой полиимидного покрытия -«компенсационный», выполненный полностью из полиимидного лака, играет роль компенсатора давления, в случае повышения температуры в трибосопря-жении, например при изменении температуры перекачиваемой насосом среды.
Верхний слой полиимидного покрытия - «антифрикционный» - выполняет несколько функций. Композиция коллоидного графита марки С-1 с полиимид-ным лаком придает покрытию свойства самосмазы-ваемости. Введение в полиимидную матрицу лецитина, являющегося ингибитором коррозии, позволяет создавать при трении на поверхности контртела тонкие пленки, препятствующие его коррозионно-механическому изнашиванию, например изнашиванию корпуса шестеренного насоса-дозатора при вращении в нем приводного вала с покрытием. Именно верхний слой покрытия подвергается механической прецизионной шлифовке, а для особо точных изделий -полировке, для достижения номинальной точности размеров покрытия и шероховатости его поверхности.
В ходе проведенных испытаний была выявлена зависимость физико-механических и трибологических характеристик от толщины каждого из слоев поли-имидного покрытия. Наилучшие результаты были достигнуты, когда толщина внутреннего слоя находилась в пределах от 8 до 10 мкм, толщина промежуточ-
ного слоя - от 16 до 20 мкм, а толщина верхнего слоя - от 24 до 20 мкм.
Основными элементами технологии получения полиимидного покрытия являются:
- приготовление композиций слоёв;
- формирование слоёв на стальных поверхностях со ступенчатой термоимидизацией промежуточных слоёв;
- высокотемпературная термообработка;
- прецизионное шлифование верхнего слоя (в случае изготовления особо точных изделий - полирование).
При необходимости нанесения покрытия на тела вращения, например, на вал шестеренного насоса-дозатора, полиимидный лак и композиции слоёв наносятся на вал кистью, после чего вал устанавливается на приспособление и приводится во вращение со скоростью 300 об/мин. При таком способе формования обеспечивается равномерность и толщина слоёв покрытия в необходимых пределах.
Были проведены лабораторные и опытно-промышленные испытания полиимидного покрытия в сравнении с его прототипом.
Лабораторные испытания покрытия проводились на торцевой машине трения. Покрытие наносилось на металлическую подложку из стали 95Х18. В качестве контртела использовались торцы шестерен насосов-дозаторов 11НШ3,0 из этой же стали. Скорость скольжения - V = 0,05 м/с, давление - Р = 15 МПа, среда -кислый раствор арамидных волокон, содержащий 1,5 % соляной кислоты. Температура испытаний -20...22 °С. Для сравнения, при тех же условиях эксплуатации, проводилось испытание антифрикционного самосмазывающегося покрытия [5], содержащего твердые смазочные материалы - дисульфид молибдена, графит и молибден. Связующим в покрытии является эпоксидная смола. Это покрытие также состоит из трех слоев, нижний из которых, прилегающий к металлической подложке, выполнен из молибдена, промежуточный слой - из связующего без наполнителей, а верхний слой - из связующего, в которое в качестве твердого смазочного материала введен графит. Данное покрытие обеспечивает высокую износостойкость и низкий коэффициент трения сопряженных пар, не разрушается при высоких давлениях. Как и многие покрытия на основе эпоксидных смол, оно защищает металлические поверхности от действия агрессивных сред. Однако, как показали испытания, это покрытие не снижает коррозионно-механическое изнашивание металлического контртела при эксплуатации механизма в химически активных средах, таких как соляная кислота. Наряду с этим, покрытие, обладая сравнительно низкой твердостью, очень плохо поддавалось механическому шлифованию и полированию, что не позволило использовать его для промышленного изготовления прецизионных деталей узлов трения.
В табл.1, 2 отражены результаты испытаний. Линейный износ определялся по базовым точкам на оптиметре с ценой деления 1 мкм. 1, 2, 3 - номера образцов.
Из результатов лабораторных испытаний следует, что трибологические характеристики разработанного покрытия выше, чем у покрытия [5]. Особенно это заметно при анализе изнашивания контртела, что подтверждает эффективность введения в покрытие ингибитора коррозии - лецитина. Твердость и предел прочности при растяжении полиимидного покрытия выше, чем у покрытия [5], что позволяет проводить его механическое шлифование и полирование.
Опытно-промышленные испытания полиимидно-го покрытия проводили на шестеренных насосах-дозаторах 11НШ3,0, перекачивающих агрессивные
растворы арамидных волокон на предприятии ОАО «Каменскволокно». Разработанное покрытие и покрытие [5] наносились на приводной вал насоса из стали 95Х18 и по времени эксплуатации насоса до выхода его из строя определялась их эффективность. Корпус насоса был изготовлен из чугуна СЧ-22-24. В результате время наработки насоса с валом с по-лиимидным покрытием составило 1778 ч, с покрытием [5] - 768 ч.
На рис. 3 показана конструкция шестеренного насоса-дозатора с полиимидным покрытием вала ведущей шестерни и оси ведомой шестерни [6].
Таблица 1
Испытание образцов на твердость и предел прочности
Покрытие Твердость, условных единиц, ГОСТ 5233-76 Предел прочности при растяжении, МПа
1 2 3 1 2 3
Полиимидное покрытие 0,76 0,71 0,73 165 178 171
Покрытие [5] 0,48 0,52 0,53 54 59 62
Испытание образцов на изнашивание
Таблица 2
Покрытие Коэффициент трения Интенсивность изнашивания покрытия, 110-9 Интенсивность изнашивания контртела, /•Ю-9
1 2 3 1 2 3 1 2 3
Полиимидное покрытие 0,04 0,03 0,04 1,9 2,1 1,8 2,1 2,1 2,2
Покрытие [5] 0,05 0,05 0,04 2,6 2,6 2,3 4,8 4,9 4,3
Рис. 3. Шестеренный насос-дозатор 11НШ3,0 конструкции НПО «Орион ВДМ»: 1 - корпус; 2 - вал с полиимидным покрытием 13; 3 - плита верхняя шестеренного механизма; 4 - статор; 5 - плита нижняя шестеренного механизма; 6 - ведущая шестерня; 7 - ведомая шестерня; 8 - ось ведомой шестерни с полиимидным покрытием 13; 9 - отверстие входного канала 11 в межзубовое пространство; 10 - отверстие выходного канала 12 в межзубовое
пространство; 14 - приводная шестерня насоса
Учитывая высокую температурную стойкость по-лиимидного покрытия и его высокую адгезию к поверхности, на которое оно нанесено, в настоящее время проводятся исследования и эксперименты по использованию этого покрытия в насосах для перекачивания и дозирования расплавов полимеров, в том числе полиамидов.
Литература
1. Новые направления в повышении качества параарамид-ных волокон отечественных производителей / Д.В. Миньков, В.Ю. Лакунин, И.В. Слугин [и др.] // Хим. волокна. 2006. № 3. С. 21-23.
Поступила в редакцию
2. Миньков Д.В. Разработка и исследование компози-
ционного самосмазывающегося материала для трибосоп-ряжений шестеренных насосов 11НШ, дозирующих химически активные растворы: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов н/Д, 2005.
3. Исследование изнашивания шестеренных насосов-дозаторов химических растворов арамидных волокон / Д.В. Миньков, О.М. Башкиров, А.И. Слугин [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 4. С. 105-109.
4. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007109161/04(009977. Антифрикционное покрытие / Д.В. Миньков, А.С. Иванов, О.М. Башки-ров [и др.].
5. Пат. 2211260, RU кл. С 23 С 28/00, 27.08.2003.
6. Пат. 2314435, РФ. Шестеренный насос-дозатор / Д.В. Миньков, В.Ю. Лакунин, И.В. Слугин [и др.]. Заявка № 2006140241. Приоритет 15 ноября 2006 г.
20 октября 2008 г.
Миньков Дмитрий Васильевич - канд. техн. наук, директор-главный конструктор научно-производственного объединения «Орион ВДМ», г. Новочеркасск.
Иванов Александр Степанович - канд. техн. наук, зам. директора-главного конструктора по науке Научно-производственного объединения «Орион ВДМ», г. Новочеркасск.
Канюка Сергей Петрович - соискатель Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Башкиров Олег Михайлович - зам. директора по новым технологиям научно-производственного объединения «Орион ВДМ», г. Новочеркасск. Тел.: 8(86352)-6-79-71.
Седин Евгений Борисович - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
Слугин Андрей Иванович - соискатель Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Minkov Dmitriy Vasilievich - Candidate of Technical Scince, head- designer of Scientific and Production Association «Orion VDM», Novocherkassk.
Ivanov Aleksandr Stepanovich - Candidate of Technical Scince, assistant head- designer of Scientific and Production Association «Orion VDM», Novocherkassk.
Kaniuka Sergey Petrovich - competitor of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Bashkirov Oleg Michailovich - assistant head by new technologys of Scientific and Production Association «Orion VDM», Novocherkassk. Ph.: 8(86352)-6-79-71
Sedin Evgeniy Borisovich - post-gaduante student of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Slugin Andrey Ivanovich - competitor of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
