Электроэрозионное легирование и лазерное текстурирование поверхностей скольжения механических уплотнений Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.9.048

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ И ЛАЗЕРНОЕ ТЕКСТУРИРОВАНИЕ

ПОВЕРХНОСТЕЙ СКОЛЬЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ УПЛОТНЕНИЙ

12 2 © 2012 Б. Антошевский , В. Б. Тарельник , В. С. Марцинковский

Политехнический университет, г. Кельце, Польша Сумский национальный аграрный университет, Украина

Представлены результаты текстурирования металлической поверхности лазерным и электроэрозионным методами. Определена перспектива их использования в торцовых уплотнениях бесконтактного типа.

Бесконтактное торцовое уплотнение, контактная поверхность, текстурирование, металлографическое исследование.

Постановка проблемы в общем виде.

Классическая теория уплотнения в отношении к торцовым уплотнениям основана на решении модели течения жидкости через плоскую щель с небольшой высотой. В настоящее время эти модели не являются источником современных представлений, касающихся объяснения процессов, протекающих в щели, а их практическое значение ограничивает значительная зависимость от её высоты. Определение высоты щели сводится к использованию эмпирических формул, применяемых для определённых материалов, а также технологий поверхностной обработки. В отдельных случаях целесообразно принимать высоту щели как переменную величину. Такой подход позволяет рассматривать модель уплотнения с постоянной либо переменной высотой щели, а также с эксцентриситетом относительно работающих поверхностей и их шероховатостью. Эти факторы могут рассматриваться как совместно, так и раздельно. Практическая ценность модели, связывающей многие факторы, влияющие на геометрию щели, имеет ограничения из-за трудностей в определении воздействия этих факторов. В настоящее время при исследовании процессов, протекающих в щели торцевого уплотнения, всё чаще используют модели с неоднородными поверхностями. В качестве неоднородных поверхностей понимают поверхности, содержащие отдельные регулярные области, которые можно описать иными, чем остальные части поверхности, геометрическими, физико-механическими и физикохимическими свойствами. При создании областей с неоднородными поверхностями используются другие технологии, чем для ос-

тальной поверхности. Неоднородности могут быть представлены как:

- углубления в поверхности колец скольжения (канавки, шлицы), сформированные фрезерованием, химическим травлением, лазерной обработкой;

- области, обладающие другими физико-химическими и механическими свойствами, например поверхности с различной местной твёрдостью и механической прочностью, полученные путём локальной поверхностной обработки: лазером, электроэрози-онным легированием (ЭЭЛ), химикотермической обработкой;

- области с разной микрогеометрией поверхности, например эродированные в точке (лазерная обработка) или имеющие сформированную микрогеометрию поверхности в пределах её несущей области (лазерные и электроэрозионные технологии).

Анализ последних исследований и публикаций. В настоящее время в соответствии с новыми технологиями (лазерные, электроэрозионные) наблюдается повышенная заинтересованность в текстурировании поверхности. Этот метод всё чаще применяется с целью увеличения несущей способности пары трения скольжения и уменьшения сопротивления при трении. Метод имеет широкое применение при изготовлении уплотнений [1].

Различают много различных методов текстурирования поверхности. Основными из них являются методы химического травления через маску (оболочку), эрозионные и электроэрозионные методы, а также методы с использованием лазерной техники. На рис. 1 указана схема эрозионного и лазерного методов текстурирования поверхности. Каж-

дыи из этих методов имеет свои преимущества и недостатки.

В случае использования лазерной техники, которая может применяться в различных вариантах при единичном импульсе лазерного излучения в зависимости от параметров лазерного пучка, а также свойств материала, возможным становится формирование углублений в виде 8, V и (рис. 2).

High velocity air with fine abrasive particles

I

я

Excimer

laser

Jet rwzzle

Mask

Mask

і

|1S> Lens

A

Ceramic sample

Рис. 1. Схема эрозионного и лазерного методов текстурирования поверхности [2]

Довольно широкие возможности для создания текстуры имеет электроэрозионный метод, однако до настоящего времени он недостаточно изучен. В [4] после электроэро-зионной обработки и последующего обкатывания поверхности роликами получали структуру, удобную с точки зрения смазывания (рис. 3).

W-type donut shaped Рис. 2. Модельные формы углублений, полученные в результате единичного импульса лазера [3]

Независимо от формы углубления и окружающей среды возникают изменения свойств материала, вызывающие, в свою очередь, изменения реакции на нагрузку.

Рис. 3. Топография текстуры поверхности с элек-троэрозионным покрытием после обкатки роликами

Известен способ ЭЭЛ, когда первоначально наносят слой покрытия антифрикционным легкоплавким металлом, выбираемым из группы 1п, Бп, Сё, РЬ. Затем на полученное покрытие наносят слой износостойкого высокотвёрдого металла или его карбида, выбираемого из группы Т1, V,

Данный порядок нанесения слоёв по -крытия способствует расплавлению первоначально нанесённого покрытия из легкоплавкого металла при нанесении второго слоя, заполнению им микронеровностей и пор основного покрытия. Кристаллизация второго слоя происходит медленнее за счёт аккумулирования тепла расплавом легкоплавкого металла. Шероховатость поверхности снижается до значений Яа = 0,6-0,8 мкм. Одновременно в 3 - 6 раз повышается износостойкость поверхности [5].

В [6] было установлено, что использо -вание в качестве технологического покрытия легкоплавких металлов, выбираемых из группы 1п, Сё, Бп, РЬ, при последующем их ЭЭЛ износостойкими тугоплавкими материалами приводит к снижению не только шероховатости поверхностного слоя, но и микротвёрдости и что микротвёрдость КЭП в значительной мере зависит от количества мягкого, более легкоплавкого материала в технологическом подслое (первоначально нанесённом слое из мягкого антифрикционного металла).

Учитывая то, что наиболее стабильные результаты по массопереносу обеспечиваются при ЭЭЛ металлических поверхностей медью, металлографические исследования по определению влияния количества мягкой составляющей в КЭП на микротвёрдость поверхностного слоя проводились с использованием технологического подслоя из меди.

В результате проведённых исследований предлагается для повышения микротвёрдости и снижения шероховатости в поверхностном слое упрочняемых деталей первоначально наносить слой «технологического» покрытия мягким, антифрикционным металлом медью при энергии разряда 0,016-

0,019 Дж, а затем наносить слой покрытия из износостойкого высокотвёрдого металла или его карбида, выбираемого из группы Т1, V, W при энергии разряда 0,354-0,425 Дж.

Металлографические исследования КЭП по предлагаемому способу показывают, что их микротвёрдость находится на сравнительно высоком уровне (8400... 12300 МПа). Следует отметить, что сверху покрытия находится плёнка меди толщиной 1...2 мкм. Все покрытия, сформированные предлагаемым способом, имеют характерный цвет меди. Наличие меди как на поверхности, так и по глубине покрытия подтверждается рентгеноструктурным анализом.

Медь имеет более низкую температуру плавления (Гпл = 1083°С), чем металлы основного покрытия (Гпл = 1672...3410°С). В процессе кристаллизации образуется структура типа механической смеси с частичным образованием твёрдого раствора.

Данный порядок нанесения слоёв покрытия способствует расплавлению первоначально нанесённого покрытия из более легкоплавкого металла меди при нанесении второго слоя, заполнению им микронеровностей и пор основного покрытия. Кристаллизация второго слоя происходит медленнее за счёт аккумулирования тепла расплавом меди, при этом шероховатость поверхности снижается до Яа = 0,5...0,9 мкм.

Ниже приведены результаты исследований, проводимых в соответствии с договором о научном сотрудничестве между Сумским национальным аграрным университетом (Украина) и Политехникой Свентокржи-ской в Кельцах (Польша), предметом кото-

рого является общая деятельность и взаимный обмен научными результатами в области формирования трибологических свойств покрытий и в области динамики машин.

Целью работы являлась изначальная оценка текстурирования поверхностей скольжения торцевых уплотнений.

Изложение основного материала исследований. Локальная лазерная обработка, основанная на лазерной эрозии, производилась на лазере Ш:УАО (тип ББЬ 720) при следующих параметрах процесса:

- диаметр лазерной точки ё = 0,7 мм;

- мощность лазера Р=10; 20; 30; 40; 50; 100; 150 Вт;

- фокусное расстояние / = 1мм;

- время одного импульса й=0,8; 1,2; 1,48; 1,8; 5,5; 8 мс;

- скорость движения образца V = 1200 мм/мин;

- частота повтора / = 8 Гц.

Исследования эффекта лазерной эрозии

касались в основном измерений диаметров и глубин полученных углублений в зависимости от различных значений мощности лазера. Результаты этих исследований представлены на рис. 4 и 5.

Мос !азега, W

Рис. 4. Зависимость диаметра отверстия от мощности лазера

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Мос !а«ега W

Рис. 5. Зависимость глубины отверстия от мощности лазера

Из графиков, приведённых на рис. 4 и

5, видно, что вместе с увеличением мощности лазерного пучка увеличивается диаметр и глубина полученных отверстий. Исключением является полученное значение глубины отверстия при мощности лазера 150 Вт, ко -торое меньше значения при мощности 100 Вт (рис. 5). Вероятно, причиной проявления такого эффекта является более длительное время воздействия импульса (^ = 8 мс) при мощности лазера 150 Вт, в отличие от времени длительности импульса ^ = 5,5 мс при мощности лазера 100 Вт.

Исследования электроэрозионного тек-стурирования реализовались с использованием механизированной установки БЬЕЛ-541. На данном этапе работы изучалось влияние параметров процесса на величину шероховатости поверхности, а также исследовалась возможность изменения механических и стереометрических свойств электро-эрозионных покрытий за счёт применения последующей лазерной обработки.

Лазерные и электроэрозионные технологии. Электроэрозионные покрытия

имеют некоторые недостатки, которые снижают их эксплуатационные свойства. Применение последующей лазерной обработки направлено на устранение этих недостатков.

Лазерный пучок может быть использо -ван с целью выглаживания сформированной электроэрозионным методом геометрии поверхности уплотнения, доведения до однородности химического состава нанесенных покрытий.

Анализ изменений макрогеометрии проводили для комбинированных покрытий состава Си-Т1, нанесённых электроэрозион-ным методом на кольца из стали 45 в исходном состоянии (рис. 6). Покрытия подвергались последующему воздействию лазера УЛО при следующих параметрах процесса:

- диаметр лазерной точки d = 0,7 мм;

- мощность лазера P = 20 Вт;

- фокусное расстояние f = 1мм;

- время одного импульса ^ = 0,8 мс;

- скорость движения образца V = 1200 мм/мин;

-частота повтора f = 8 Гц.

Рис. 6. Профилограмма поверхности покрытия, нанесенного из Cu-Ti (вид 3D)

Микроструктура покрытия состава СиТі до и после воздействия лучом лазера, а также распределение микротвёрдости в отверстии, сформированном импульсным действием лазера, показаны соответственно на рис. 7-9.

Рис. 7. Микроструктура покрытия Cu-Ti (ув. х500)

Рис. 8. Микроструктура покрытия ^-^ после лазерной обработки (ув. х500)

>

і

"О

"(Я

0 тз

(С

1

0 !_ X

1

-900-

300

200

100

0

• Біа! 45/Си/Т

ос11ед1о5с ос1 §гос1ка сй\л/оги [ит]

Рис. 9. Распределение микротвёрдости в покрытии ^-^ после импульсного действия лазера (отверстие)

Таким образом, используя лазерную и электроэрозионную обработку поверхности, можно изменять стереометрические и механические свойства её приповерхностных слоёв.

Исследования торцовых уплотнений.

Исследования уплотнений проводили методом сравнения для проверки эффекта тексту-рирования. В качестве модели использовали уплотнения типа А1 производства фирмы ЛМОЛ, а исследования проводили на установке, схема которой показана на рис. 10.

Контртела уплотнений подвергались лазерному текстурированию путём получения на поверхности углублений, профилограмма которых показана на рис. 11.

1-двигатель, 2-измеритель момента, 3-шпиндель, 4-камера для исследований, 5-уравнительная емкость, 6-компьютер, 7-измеритель утечек, 8-волномер, Мт - путь измерения момента трения; Т1, Т2-пути измерения температуры постоянного кольца и среды; p1, p2 - давления на входе и выходе

а б

Рис. 11. Вид фрагмента поверхности текстурированного лазером- кольца: а) x 6,3; б) x 25

Текстурирование было основано на прохождении вступительных ходов для различных скоростей п = 500, 1500, 3000, 4500 об/мин, при постоянном давлении среды уплотнения, составляющем p = 0,35 МПа и 0,2 МПа. Опыты проводились для колец с текстурой и без текстуры. Результаты испытаний показаны на рис. 12.

2.5 2,4 2,3

^ 2,2 I 2,1 “ 2 § 1,9 1,8 1,7

1.6

• bez texturowania

■ z laserowy texturowaniem

1,5 2 2,5 3 3,5

p*V [MPa*m/s]

Рис. 12. Зависимость сопротивления трению от скорости вращения

Выводы. Таким образом, проведённые исследования открывают широкие возможности для применения текстурирования поверхности лазерным и электроэрозионным методами. В ходе исследований установлено, что путём текстурирования можно достичь снижения силы трения и улучшения условий смазывания, что может быть использовано в торцовых уплотнениях с высоким давлением, а также в тех случаях, когда имеется вероятность возникновения доминирующих адгезионных сил.

Библиографический список

1. Edison, I. Analytical and experimental investigation of laser- textured mechanical seal faces [Text] / I. Edison, Y. Klingerman, G. Hal-perin // Trib. Trans. No 42, PP. 511-516.

2. Effect of surfach texturing on friction reduction between ceramic and steel materiale under lubricated sliping contact [Text] / M. Wa-

0 0,5 1

4 4,5

kula, Y. Yamauchi, S. Kanzaki [et al.]. Wear № 254, 2003. - PP. 356-363.

3. Chlamakuri, S. Effect of peak radius on design of W-type donut shaped laser textured surfaces [Text] / S. Chlamakuri, H. Bhushan // Wear, 1999. №230. - PP. 118-123.

4. Surfach texture transfer in simulated tandem and temper mill rolling using electrical discharge textured rolls [Text] / J. Simao, D.K. Aspinwall, M.L.Weise [et al.] // Journal of Materials Processing Technology, 1996, № 56. -PP. 177-189.

EDM LASER ALLOYING AND TEXTURING THE SLIDING SURFACE MECHANICAL

SEALS

© 2012 B. Antoshevskiy1, V. B. Tarelnik2, V. S. Martsinkovskiy2

1Technical University of Kielce, Poland,

2Sumy NAU, Ukraine

The results of texturing the metal surface by laser and electrical discharge method. The prospects of their use in non-contact face seal type.

Non-contact face seal, texturing the metal surface, discharge method.

Информация об авторах

Антошевский Богдан, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой эксплуатации машин, Политехнический университет, г. Кельце, Польша. Е-mail: ktrba@tu.kielce.pl. Область научных интересов: бесконтактные уплотнения, металлографические исследования.

Тарельник Вячеслав Борисович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технического сервиса, Сумский национальный аграрный университет, Украина. Email: tarelnik@i.ua. Область научных интересов: бесконтактные уплотнения.

Марцинковский Василий Сигизмундович, кандидат технических наук, доцент, Сумский национальный аграрный университет, Украина. Е-mail: mbc@triz.sumy.ua. Область научных интересов: бесконтактные уплотнения.

Antoshevsky Bogdan, Doctor of Science, Professor, Head of Department of machine operation. Polytechnic University, Kielce, Poland. E-mail: ktrba@tu.kielce.pl. Area of research: Non-contact face seal, texturing the metal surface.

Tarelnik Vyacheslav Bоrisovich, Doctor of Science, Professor, Head of Department of Technical Services. Sumy NAU, Ukraine. E-mail: tarelnik@i.ua. Area of research: Non-contact face seal.

Martsinkovsky Vasily Sigizmundovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Sumy NAU, Ukraine. E-mail: mbc@triz.sumy.ua. Area of research: Non-contact face seal.

5. А.с. 1734968 СССР, В 23 Н 9/00. Способ электроэрозионного легирования [Текст] / В.Б. Тарельник, Е.А. Коломыцев, Л.А. Иванов [и др.] - заявл. 20.09.88; опубл. 23.05.92, Бюл. № 19.

6. Тарельник, В.Б. Управление качеством поверхностных слоев комбинированным электроэрозионным легированием [Текст] / В.Б. Тарельник. - Сумы: МакДен, 2002. -324с.