CC BY
38
3. Самсонов Г. В., Винницкий И. М. Тугоплавкие соединения: Справочник. 2-е изд. М.: Металлургия, 1976. 558 с.
4. Фадеев В. С. Научные основы разработки и получения слоистых композиционных материалов на поверхности твердых сплавов и оксидной керамики для повы-
шения работоспособности режущего инструмента: Дис.... д-ра техн. наук. Якутск: ИПС СО РАН, 2005. 390 с. 5. Фадеев В. С., Верхотуров А. Д., Паладин Н. М. и др.
Разработка и создание слоистых материалов инструментального назначения с заданным градиентом свойств // Перспективные материалы. 2004. № 5. С. 45-52.
УДК 621.797
Формирование износостойких покрытий на прецизионных узлах трения
Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Л. Леонтьев
Основной причиной отказов плунжерных пар топливных насосов высокого давления судовых дизелей является потеря гидроплотности вследствие увеличения зазора между плунжером и втулкой из-за абразивного изнашивания сопряженных поверхностей трения, а также гидроабразивного, кавитацион-но-эрозионного изнашивания. Реже встречаются отказы из-за задира и заедания, которые приводят к заклиниванию плунжера во втулке. Исследование рабочих поверхностей плунжерных пар, поступающих на восстановление (объем выборки свыше 5 тыс. шт.), позволил установить, как часто встречается износ и повреждения того или иного вида:
• абразивный износ плунжера и втулки — 74 %;
• гидроабразивный износ отсечной кромки плунжера — 16 %;
• кавитационно-эрозионный износ в районе отсечного отверстия втулки — 7 %;
• кавитационно-эрозионный износ в районе отсечной кромки плунжера — 2 %;
• задиры (заклинивание) — 1 %.
Среди видов изнашивания доминирует абразивное. В топливе всегда имеются твердые механические частицы, причем преимущественно размером 1-5 мкм (это окислы кремния, алюминия, железа и цинка). Содержание окислов кремния в топливе достигает 50 % от общего количества примесей. Окислы кремния и алюминия отличаются высокой твердостью и оказывают наиболее существенное абразивное воздействие (создают износы, задиры) на поверхности прецизионных деталей топливной аппаратуры [1].
Для прецизионных деталей наибольшую опасность представляют частицы размером от 2 до 10 мкм, соизмеримые с зазором, так как при некачественной очистке топлива они попадают в зазор и вызывают интенсивное изнашивание. Оказавшиеся в зазоре между плунжером и втулкой частицы интенсивно изнашивают верхнюю часть плунжера и соответствующую часть втулки [1]. Причем большему износу подвергается плунжер, величина его износа в золотниковой части в 2,0-2,5 раза превышает величину износа втулки в верхней части.
При восстановлении и плунжерных пар топливных насосов высокого давления судовых дизелей широко используется пористое хромирование, которое отличается следующими свойствами:
• удовлетворительная прирабатываемость к различным сопряженным нехромирован-ным поверхностям;
• более низкий коэффициент трения пары «пористый хром — сталь» по сравнению с парой «сталь — сталь» (в среднем на 25 %);
• хорошее сцепление с основным металлом, исключающее возможность скалывания и выкрашивания хрома при работе трущихся деталей;
• высокая износостойкость при повышенных давлениях, температуре до 500 °С в коррозионных средах.
Однако гальванический хром имеет ряд недостатков. Хром обладает низкой адгезией и высоким уровнем остаточных растягивающих напряжений, проявляющихся при нанесении толстых покрытий. Другой недостаток
~В0
№ 3 (63)/2011
заключается в том, что прочность хромовых покрытий сравнительно мала, если касательные усилия сосредоточены на небольших участках. Этим объясняется повышенное изнашивание хромовых покрытий, когда между трущимися поверхностями попадают твердые частицы [2]. Для повышения износостойкости хромовых покрытий необходимо дополнительное упрочнение. В настоящее время наиболее перспективным методом повышения износостойкости трибоузлов является создание металлокерамических покрытий на поверхностях трения путем модифицирования их геоматериалами. Для модифицирования поверхностей трения применяется свыше 80 различных геоматериалов, которые способны формировать защитные металлокерамиче-ские пленки. Наиболее широкое применение получил серпентинит, состоящий в основном из М^д^^юКОН^, но не являющийся самым эффективным по своим характеристикам [3].
Для определения оптимальной триботех-нической композиции для модифицирования стали ХВГ и хромового покрытия были выбраны следующие вещества и композиции:
• серпентинит;
• силикат природного происхождения;
• кварцевая пыль;
• серпентинит и природный силикат;
• природный силикат, модифицированный полисахаридом природного происхождения;
• природный силикат, модифицированный полисахаридом природного происхождения, и серпентинит.
Для триботехнических испытаний изготавливали образцы из стали ХВГ в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм, часть образцов покрывали хромовым покрытием толщиной 12-15 мкм. Перед испытаниями образцы полировали алмазной пастой до шероховатости 0,063 мкм. Испытания на универсальной машине модели УМТВК (АО «Автоваз», Тольятти) проводили по схеме «ролик — ролик» в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,628 м/с. В качестве неподвижного образца использовался ролик из стали ХВГ твердостью 60-61 НИС. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (25-30 капель/мин). Для смазки применялось дизельное топливо марки Л-0.5 по ГОСТ 305-82. В качестве искусственного загрязнителя использовалась кварцевая пыль дисперсностью 1-5 мкм. Концентрация загрязнителя в топливе составляла 1 %. Время испытаний каж-
дой пары трения составляло 4 ч. Нагрузка изменялась от 100 до 500 Н. Модифицирование поверхности вращающегося образца осуществляли методом натирания при нагрузке 300 Н. В процессе испытаний фиксировали следующие параметры: интенсивность (величину) изнашивания, силу (коэффициент) трения и температуру фрикционного разогрева.
Очевидно, что повышение надежности оборудования возможно, если будут решены как минимум две материаловедческие задачи: разработка современных износостойких материалов и выбор оптимального сочетания материалов для конкретных условий работы трибосопряжений. Первую задачу мы решили путем модификации природного силиката природным высокомолекулярным полисахаридом. Известно [4], что полисахарид внедряется в межплоскостное пространство силиката, резко увеличивая его и при этом уменьшая трение на наноуровне между плоскостями, состоящими из двумерного алюмосиликата.
Минимальный суммарный износ сопряжения наблюдается при использовании композиции № 4 и составляет всего 46,0 % от суммарного износа базового варианта сопряжения (ХВГ — хром Сг), в том числе износ модифицированного хрома составляет 38,6 % от немодифицированного хрома (базового варианта), а стали ХВГ — 49,0 %.
При использовании композиции № 5 износа модифицированного хрома практически нет благодаря свойству алюмосиликата, модифицированного полисахаридом. Однако износ неподвижного образца примерно такой же, как у пары трения «ХВГ — Сг».
Применение композиции № 6 приводит к износу модифицированного образца только при нагрузке 500 Н (уменьшается его вес), однако при этом происходит увеличение диаметра образца на 0,006 мм (рис. 1). Износ неподвижного образца составляет 53,9 % от износа базового варианта (ХВГ — Сг).
Модифицирование поверхности любой композицией материалов уменьшает температуру в зоне трения на 8,0-10,0 % в зависимости от состава триботехнической композиции и нагрузки, действующей на трибосистему (рис. 2).
У трибосопряжения с образцом, модифицированным серпентинитом, коэффициент трения стабильный и самый низкий почти во всем диапазоне нагрузок. По сравнению с коэффициентом трения базовой пары трения (ХВГ — Сг) коэффициент трения мень-
№ 3 (63)/2011
ВТ
100,0
Рис. 1. Износ при испытании по схеме «ролик — ролик» в условиях трения при граничной смазке (время испытания — 4 ч) для трибосопряжения: □ — вращающийся образец с покрытием;И — неподвижный образец (сталь ХВГ); 1 — «ХВГ — хром»; 2 — «ХВГ — хром, модифицированный серпентинитом»; 3 — «ХВГ — хром, модифицированный композицией № 4»; 4 — «ХВГ — хром, модифицированный силикатом»; 5 — «ХВГ — хром, модифицированный композицией № 5»; 6 — «ХВГ — хром, модифицированный композицией № 6»; 7 — «ХВГ — хром, модифицированный кварцем»
ше на 10,0-50,0 % в зависимости от нагрузки (рис. 3).
Следует отметить, что после модифицирования поверхности трения при малых нагрузках коэффициент трения у хромированных образцов близок к коэффициенту трения хрома, но с повышением нагрузки до 200-300 H (в зависимости от состава композиции) становится значительно меньше (на 25,4-38,4 %).
Высокая износостойкость хрома после его модификации композициями, содержащими природный силикат, объясняется образованием износостойкого слоя за счет внедрения в кристаллическую решетку хрома ионов кремния и алюминия. При этом создается основа, на которой формируется металлоке-рамическое покрытие толщиной до 3 мкм. Благодаря образованию металлокерамиче-ского слоя повышаются стабильность, прочность и долговечность покрытия. Доказательством этого является исследование полученного покрытия с помощью рентгено-электронной спектроскопии. Рентгеновский фотоэлектронный спектр получали на сверхвысоком вакуумном фотоэлектронном спектрометре (Omicron, Германия) с полусферическим электростатическим анализатором (радиус кривизны — 125 мм). В качестве источника была использована рентгеновская пушка с магниевым анодом (линия MgKa — 1253,6 эв).
Рис. 2. Влияние нагрузки на температуру в зоне трения при испытании по схеме «ролик — ролик» в условиях трения при граничной смазке для трибосопряжения:
1 — «ХВГ — ХВГ»; 2 — «ХВГ — хром»; 3 — «ХВГ — ХВГ, модифицированный композицией № 4»; 4 — «ХВГ — хром, модифицированный композицией № 2»; 5 — «ХВГ — хром, модифицированный композицией № 6»
100
200
300
400
Р, H
То
Рис. 3. Влияние нагрузки на коэффициент трения при испытании по схеме «ролик — ролик» в условиях трения при граничной смазке для трибосопряжения:
1 — «ХВГ — ХВГ, модифицированный композицией №4»;
2 — «ХВГ — ХВГ»; 3 — «ХВГ — хром»; 4 — «ХВГ — хром, модифицированный композицией № 6»; 5 — «ХВГ — хром, модифицированный композицией № 4»; 6 — «ХВГ — хром, модифицированный серпентинитом»
№ 3 (б3)/2011
Полученный состав металлокерамической пленки на глубине до 100 нм содержит следующие элементы: С = 57,12 ат. %, А1 = = 9,0 ат. %, Сг = 3,85 ат. %, О = 22,03 ат. %, Са = 2,31 ат. %, Ее = 1,85 ат. %, = = 3,27 ат. %.
Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности применения композиционных износостойких покрытий в условиях трения, характерных для прецизионных деталей топливной аппаратуры (плунжерная пара, игла — корпус распылителя форсунки) дизелей. Модифицирование подвижной поверхности узла трения геоматериалами, модифицированными полисахаридом, приводит к существенному уменьшению параметров шероховатости и коэффициента трения и, как следствие, к снижению энергетического уровня контактного взаимодействия трущихся поверхностей и величины износа трибосопряжения. Все эти положи-
тельные изменения триботехнических характеристик сопряжения позволяют говорить о перспективности использования данной технологии для повышения долговечности прецизионных деталей топливной аппаратуры.
Литература
1. Леонтьев Л. Б. Технологическое обеспечение надежности судового оборудования. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. 544 с.
2. Богорад Л. Я. Хромирование. Л.: Машиностроение, 1984. 97 с.
3. Лазарев С. Ю., Токманев С. Б., Хмелевская В. Б. К вопросу о критериях выбора природных минеральных материалов и других веществ для покрытий разного назначения // Металлообработка. 2006. № 3. С. 29-35.
4. Шапкин Н. П., Машкова С. А., Разов В. И. и др. Химическая модификация вермикулита хитозанфер-роферицианидным комплексом // Изв. вузов. Химия и хим.техн. 2005.№ 6. С. 110-112.
№ 3 (б3)/2011
