CC BY
216
УДК 620.179.112
Фрикционное нанесение износостойких покрытий эластичным инструментом
В. Н. Быстров, к.т.н., e-mail: dirunikom@mail.ru
В. А. Титов, доцент каф. «Бытовая техника», e-mail: vl_titov@mail.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Представлены результаты лабораторных испытаний, полученные при нанесении технологических жидкостей на криволинейные поверхности деталей с помощью эластичного инструмента; доказана эффективность применения этой жидкости для снижения износа и коэффициента трения при фрикционном контакте деталей цилиндропоршневой групп карбюраторного двигателя ВАЗ-1111.
The authors discuss the results of laboratory tests obtained during the application of technological liquids on curved surfaces of components using elastic tool. The study proves the effectiveness of this liquid to reduce wear and friction coefficient in the friction contact of components in cylinder and piston cluster of gasoline engine VAZ-1111.
Ключевые слова: методы технологического воздействия, избирательный перенос при трении, ФАБО, технологические среды.
Keywords: methods of technological impact, selective transfer in friction, technological environment.
Нанесение покрытий эластичным инструментом на сложные криволинейные поверхности деталей требует разработки специальных технологических жидкостей. При этом применяют малогабаритные устройства и машины трения. Медное покрытие наносят за 4,5*103 циклов контакта. При N = 36*104 циклов трения износ при толщине покрытия И = 0,5 мкм в два раза ниже износа при толщине покрытия И = 1,5 мкм. Нанесение покрытий эластичным инструментом позволяет снизить коэффициент трения на 14 - 18%.
Основные технологические требования при фрикционном нанесении покрытий, или финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО), на криволинейные поверхности деталей с использованием эластичного инструмента могут быть сформулированы следующим образом [2]:
• для обработки необходим мягкий, эластичный инструмент, повторяющий конфигурацию поверхности детали и имеющий достаточную площадь контакта для активации поверхности;
• необходимо большое число повторных актов контакта инструмента с деталью;
• поверхность детали перед обработкой должна быть подготовлена к активации, обезжирена органическими растворителями (бензином, трихлорэтиленом и т. п.) или химическим способом в соответствии с ГОСТ 9.305-84;
• в составе технологических жидкостей должны быть металлоплакирующие и металлогенери-
рующие компоненты, например, соли металлов с более высоким электродным потенциалом, чем у металла детали, или вещества, снимающие окисные пленки и аккумулирующие ионы металлов, а также многоатомные спирты, жирные кислоты и др.
В соответствии с триботехнической кинетикой процесса нанесения покрытия [5] при механическом воздействии инструмента, пропитанного технологической жидкостью, происходит следующее:
• нагрев поверхностей детали и инструмента под воздействием сил трения;
• разрушение окисных пленок за счет обменных реакций с компонентами рабочей среды с образованием солей;
• растворение солей в водной среде технологической жидкости;
• замещение ионов металла технологической жидкости на ионы железа при разрушении окис-ных пленок и «травлении» поверхности детали кислотами;
• активация поверхности обрабатываемой детали после «травления» с высвобождением связей;
• создание новых металлических и иных адгезионных связей между ионами металла технологической жидкости и активированной поверхностью детали;
• форезные процессы в зонах образования электрических пар между кристаллами металла из технологической жидкости и железа;
• рост пленки металла технологической жидкости на поверхности детали;
• механический съем вновь созданного покрытия при воздействии обрабатывающего инструмента за счет сдвиговых деформаций, препятствующих значительному росту толщины покрытия (свыше 4 - 5 мкм).
В настоящее время теория создания таких технологических жидкостей отсутствует и составы разрабатываются на основе подбора компонентов по результатам испытаний, которые проводят в два этапа:
1) подбор компонентного состава технологической жидкости для конкретного материала детали с учетом процессов и факторов, указанных выше;
2) износные испытания для определения технической эффективности нанесения покрытия с использованием разработанного состава технологической жидкости.
Для ускорения лабораторных испытаний используют физические модели процесса [6,7] фрикционного нанесения покрытий и изнашивания покрытий при эксплуатации. При разработке технологических жидкостей для нанесения покрытий эластичным инструментом использовали устройство для фрикционного натирания (рис. 1).
Определение износостойкости покрытий производилось на универсальной малогабаритной машине трения [1], подробная конструкция которой представлена на рис. 2.
Малогабаритная машина трения позволяет проводить испытания по схеме ролик-колодка, где используется ролик диаметром 13 мм и колодка в
Рис. 1. Схема лабораторного устройства для фрикционного натирания: 1 - натираемый образец; 2 - вращающийся натирающий ролик
виде сегмента кольца диаметром 13 мм с проточкой по центру внутри, образующей пояски касания шириной 1 мм.
Машина трения обеспечивает прижатие образцов с усилием от 0,1 до 60 Н, частоту вращения подвижного образца 50±5% об/с, а также непрерывную регистрацию суммарного линейного износа неподвижного и вращающихся образцов контактным методом при износе до 0,5 мм, силы (момента трения) при усилии прижатия образцов до 60 Н и температуры образцов и смазочной среды в диапазоне температур окружающей среды до 180±1 °С.
Коллективом авторов была разработана методика испытаний в контролируемых средах [1,4] и ГОСТ 23.216 «Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на трение и
27 26 25 24 23
Рис. 2. Малогабаритная машина трения: 1 - упор; 2 - датчик положения с упругим элементом; 3 - электродвигатель; 4 - ротор электродвигателя; 5 - вал электродвигателя; 6 - уплотнение камеры на валу электродвигателя; 7 - гайка; 8 - стекло; 9 - ролик; 10 - колодка; 11 - камера; 12 - вентилятор; 13 - рычажный механизм; 14 - герметизированный шток; 15 - корпус; 16 - рамка; 17 - окно; 18 - трубка; 19 - рычаг нагружения; 20 - масло; 21 - насос; 22 - привод насоса; 23 - пружина; 24 - корпус нагружающего устройства; 25 - основание; 26 - винт; 27 - гайка
изнашивание при смазке масло-хладоновыми смесями» при полной герметичности испытуемой «триады» трения (два контактирующих образца и смазочная среда).
В соответствии с этой методикой подбор компонентов технологической жидкости и разработка технологии проводились с использованием модельного инструмента из фетра. Определялось влияние контактного давления Р и числа полных циклов контакта N на рост толщины медного покрытия к. Результаты испытаний представлены на рис. 3. Давление Р варьировали от 0,2 до 1,4 МПа.
/>, мкм
1
/
1 2 3
1 у 4
Рис. 3. Изменение роста толщины медного покрытия на чугуне СЧ18 при ФАБО в зависимости от нагрузки и числа циклов: кривая 1 - Р = 1 МПа; кривая 2 - Р = 0,6 МПа; кривая 3 -Р = 0,2 МПа; кривая 4 - Р = 1, 4 МПа
Из приведенных на рис. 3 графиков следует, что при фрикционном нанесении медного покрытия эластичным инструментом из фетра диаметром 450 мм на образец из чугуна СЧ18 максимальная величина покрытия к = 1,45 мкм получена при Р = 1 МПа за 4,5 ><103 циклов при скорости вращения инструмента п = 3500 об/мин.
Для модельных испытаний на износостойкость выбраны следующие режимы фрикционного нанесения покрытия: контактное давление Р = 1 МПа, N = 4*103, материал инструмента - фетр. При указанных режимах проводилось нанесение покрытий на ролики реальных узлов трения цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя ВА3-1111, полученные путем вырезания из блока цилиндров и коленчатого вала. Колодки изготавливались из поршневых колец и сталеалюминиевых вкладышей того же двигателя. В соответствии с данными завода-изготовителя блок цилиндров был изготов-
лен из специального низколегированного чугуна, коленчатый вал - из чугуна с поверхностной закалкой ТВЧ. Испытания проводились на малогабаритной машине трения (см. рис. 2.). В качестве смазочной среды использовалось моторное масло, рекомендуемое автозаводом - М-6з/12 Г1. Время испытаний - 30 мин.
На рис. 4 показаны результаты износных испытаний пар трения «коленчатый вал-вкладыш» и «блок цилиндров - поршневое кольцо» без покрытия и с покрытием. По результатам испытаний после нанесения фрикционного покрытия суммарный износ пары «коленчатый вал - вкладыш» снижен с 7 до 2,75 мкм (на 60%), а пары «блок цилиндров - поршневое кольцо» - с 5,6 до 3,6 мкм (на 36%).
Интересные результаты получены при определении влияния фрикционного нанесения покрытия на изменение коэффициента трения в паре трения «блок цилиндров - поршневое кольцо».
/, мкм
I
' 2 _ ^ .
0 5 10 15 20 25 30
Т, мин
Рис. 4. Износ образцов из материалов двигателя ВА3-1111: кривая 1 - «коленчатый вал без покрытия - вкладыш»; кривая 11 - «блок без покрытия - поршневое кольцо»; кривая 2 -«коленчатый вал с ФАБО - вкладыш»; кривая 21 - «блок с ФАБО - поршневое кольцо»
На рис. 5 представлены результаты испытаний образцов при смазывании моторным маслом М-6з/12Г1. Из этого рисунка видно, что при использовании фрикционного нанесения покрытий коэффициент трения может быть снижен на 14% при уровне нагрузки 5 МПа и на 18% при 14 МПа.
Важным методическим вопросом является определение влияния толщины нанесенного медного покрытия на износостойкость пары трения в период приработки. Модельные испытания пары трения «сталь 45 - сталь 45» при смазывании моторным маслом М10Г показали, что приработоч-ный износ при толщине покрытия к = 0,5 мкм стабилизируется при N = 36^104 циклов трения и в
ум О3
4 6 8 10 1 14 N. МПа
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от удельной нагрузки при испытании материалов пары «блок - поршневое кольцо» двигателя ВА3-1111: кривая 1 - без ФАБО; кривая 2 - с ФАБО
1/г, мкм 16
12
К
4
0
0 9 18 27 36 ЛГхЮ4
Рис. 6. Суммарный износ образцов в период приработки пары трения «сталь 45 - сталь 45» в масле М10Г с разной толщиной покрытия при нагрузке 7,5 МПа: кривая 1 - к = 1,5 мкм; кривая 2 - к = 0,5 мкм
два раза ниже приработочного износа при толщине покрытия к = 1,5 мкм. Результаты испытаний показаны на рис. 6.
Износ пары трения «блок цилиндров - поршневое кольцо» оценивали при изменении нагрузки N от 5 до 14 МПа в моторном масле М-6з/12 Г1 для карбюраторных двигателей. Результаты испытаний приведены на рис. 7.
/х ЮЛ мкм/м
Рис. 7. Износ образцов пары трения «блок - поршневое кольцо» двигателя ВА3-1111 при различных уровнях нагрузки N кривая 1 - без ФАБО; кривая 2 - с ФАБО
Сокращение износа образцов, моделирующих пару трения «блок - поршневое кольцо» двигателя ВА3-1111 при нагрузке N = 14 МПа, составило около 30%.
Таким образом, результаты лабораторных испытаний модельной технологической жидкости позволили определить основные технологические режимы ее использования при ФАБО и эффективность ее применения для снижения износа и коэффициента трения при фрикционном контакте деталей цилиндропоршневой группы карбюраторного двигателя ВАЗ-1111.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. с. СССР № 1219962. Устройство для триботехнических испытаний материалов // Быстров В. Н., Гаркунов Д. Н., Жигайло Б. Г., Знаев В. А., Панфилов Е. А., Полянин Б. А., Прокопенко А. К., Францев В. Н.
2. Быстров В. Н., Прокопенко А. К. Финишная антифрикционная безабразивная обработка в металлоплакирующих средах // Тр. Междунар. научн. конф. «Трение, износ и смазочные материалы». Ташкент: Изд. АН УзССР. 1985. Т. 5. С. 8 - 9.
3. Быстров В. Н. Эффект безызносности и его применение в технике // Долговечность трущихся деталей машин. Вып. 5. 1990. С. 3 - 22.
4. Быстров В. Н., Балабанов В. И., Челюбеев В. В. К вопросу испытаний конструкционных и смазочных материалов в режиме избирательного переноса // Технический сервис в агропромышленном комплексе. М.: МГАУ. 1993.
5. Гаркунов Д. Н. Триботехника. М.: МГАУ. 1985.
6. Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: МГАУ. 2001.
7. Современная трибология: Итоги и перспективы / Под ред. К. В. Фролова. М.: ЛКИ. 2008.
Поступила 13.04.2010 г.
