Использование дисперсно-упрочненных композитных хромовых покрытий для повышения срока службы контактной пары сталь-бронза Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.047

М.В. Астахов, С.Ю. Жачкин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ КОНТАКТНОЙ ПАРЫ СТАЛЬ-БРОНЗА

Показана эффективность использования дисперсно-упрочненных композиционных хромовых покрытий для повышения срока службы контактной пары применительно к паре трения сталь-бронза. Представлена математическая модель, которая позволяет рассчитать необходимое давление инструмента, гарантирующее получение износостойких покрытий. Проведенные эксперименты показали уменьшение износа в зависимости от режима работы пары трения в 4-16 раз.

E-mail: mvastuhov@gmail.com

Ключевые слова: хромовые покрытия, пары трения, упрочнение, уменьшение износа, износ.

Повышение быстроходности, мощности и производительности оборудования при одновременно возрастающих требованиях к его надежности и долговечности вызывает необходимость увеличения твердости и износостойкости материалов деталей машин и механизмов. В большинстве случаев для этого достаточно создать рабочие поверхностные слои из материалов, стойких в неблагоприятных условиях.

С появлением гидрорегулирующих устройств в авиастроении встал вопрос о совершенствовании пары трения стальной поршень -бронзовая втулка, имитирующей взаимодействие пар трения, работающих в условиях недостатка смазки. Большинство контактирующих деталей гидропневмоаппаратуры эксплуатируется в условиях высоких удельных нагрузок, малых скоростей скольжения и низких температур поверхностей трения, что характерно для контактных пар шасси летательных аппаратов. В этих случаях отсутствуют какие-либо структурные изменения, перенос материала с одной поверхности на другую. Истирание рабочих поверхностей контактирующих изделий обусловлено в основном абразивным воздействием частиц. В случае применения одной из сопрягаемых деталей с хромовым покрытием износ наблюдается в большей степени на изделиях с меньшей твердостью. На деталях с хромовым покрытием отсутствуют царапины от абразивных частиц и следы от задиров.

Проблему продления срока службы пары трения можно решить различными способами: улучшением условий трения (введением

смазки), применением деталей с контактными поверхностями пониженной шероховатости, использованием более износостойких материалов и др.

Цель работы - изучение возможности повышения срока службы контактной пары сталь-бронза путем защиты стальной основы гальваническими композиционными дисперсно-упрочненными покрытиями, полученными методом гальваноконтактного осаждения (ГКО).

ГКО - способ восстановления поверхностей деталей, сущность которого заключается в механической обработке композитным инструментом на основе карбида титана гальванического покрытия в процессе его осаждения. Механическая активация поверхности катода во время электроосаждения вызывает пластическую деформацию растущих слоев осадка и возникновение большого числа активных центров электрокристаллизации. Следует учесть также, что перемещение инструмента по поверхности катода способствует прекращению стадии роста кристаллов и усилению конвективного обмена в прикатодных слоях. Совокупное действие этих факторов приводит к образованию мелкокристаллической структуры, характеризующейся наличием зерен субмикронного размера. К вышесказанному необходимо добавить, что инструмент, в котором используется вновь синтезированный материал, обеспечивает регулируемый массовый перенос твердокомпонентных включений в осаждаемое покрытие. Это дает возможность получить в дополнение к ранее указанным следующие преимущества метода: во-первых, разную скорость осаждения покрытия на различных участках восстанавливаемой поверхности в зависимости от ее износа, что позволяет устранить геометрические погрешности деталей, возникающие во время эксплуатации, не прибегая к традиционной механической обработке деталей до и после нанесения покрытия; во-вторых, регулируемое внедрение инструментального материала в виде мелкодисперсных частиц в покрытие, что повышает его микротвердость и износостойкость по сравнению с покрытиями, полученными по стандартной технологии.

Покрытия для испытаний наносили на экспериментальной установке ГКО-3, общий вид которой представлен на рис. 1.

Установка предназначена для хромирования как наружных, так и внутренних поверхностей деталей диаметром 40...120 мм и длиной хромируемой части до 700 мм. Это оборудование можно использовать в любой отрасли машиностроения для гальванического нанесения покрытий. Привод вращения обрабатываемой детали осуществляется от двигателя через редуктор. Возвратно-поступательное движение инструмента обеспечивается посредством двигателя с редуктором, вращение от которого передается на регулируемый винтом эксцентрик,

Рис. 1. Экспериментальная установка ГКО-3:

1 - кожух вентиляции; 2 - шпиндель; 3 - каретка; 4 - регулятор давления инструмента; 5 - головка ГКО; 6 - регулятор скорости инструмента; 7 - токоподвод; 8 -штанга; 9 - гребенка; 10 - упор; 11 - бак для электролита; 12 - токоведущие шины; 13 - токопровод; 14 - источник питания; 15 - указатель температуры; 16 - переходник; 17 - датчик прибора активного контроля; 18 - инструмент; 19 - деталь; 20 - бак для водяной рубашки

жестко связанный со штангами 8. Подъем и опускание головки осуществляется от двигателя с редуктором, вращение от которого передается на винт с трапецеидальной резьбой.

Головка 5 представляет собой сборную конструкцию с крышкой, на которой установлены токоподвод 7 и мотор-редуктор привода вращательного движения, закрепленный на кронштейне. Блок активного контроля связан с кронштейном, на котором находится измерительная линейка. В нижней части на подшипниках установлен шпиндель 2 с переходником 16 для закрепления детали 19.

Во избежание перегрева шпинделя во время работы в токоподво-де 7 выполнены внутренние полости, по которым циркулирует вода. На выходном валу редуктора закреплен регулируемый эксцентрик. Эксцентриситет контролируется по шкале, нанесенной на боковой стороне эксцентрика. Ролик эксцентрика входит в зацепление с направляющей, которая жестко связана с двумя штангами 8. На каждой штанге закреплены и могут перемещаться (с помощью винтов) гребенки 9, в которых установлены инструменты 18. Штанги с рычагами имеют возможность разворота с помощью регулятора давления 4. Прижим изоляторов к изделию осуществляется под давлением воз-

духа, подаваемого к коллектору по рукавам. В левой части крышки установлен поплавок, служащий для контроля уровня электролита в баке. В верхней части стержня поплавка закреплена втулка, которая взаимодействует с датчиками при подходе электролита к верхнему или нижнему уровню. В задней части крышки имеются отверстия для крепления к подъемнику.

Бак в сборе состоит из двух емкостей. В наружный бак 20 заливается вода, подогреваемая электронагревателями. Он прикреплен к станине установки. Внутри наружного бака крепится внутренний бак 11 (рабочая камера), в который погружают обрабатываемое изделие. Во внутреннем баке имеются два клапана для слива электролита и воды, которые можно открыть с помощью рукояток, закрепленных на боковых стенках наружного бака 20.

Величиной открытия бака можно регулировать скорость циркуляции раствора в камере в процессе обработки. В верхней части наружной камеры имеется прямоугольное окно, закрытое кожухом 1, к фланцу которого подсоединяется вентиляция. В днище наружного бака приварен штуцер для слива электролита, закрытый заглушкой.

Подъемник служит для подъема и опускания головки с изделием. Он установлен на фундаменте и прикреплен к нему болтами. Подъемник состоит из двух штанг, по которым перемещается каретка 3. В верхней части штанги соединены балкой, на которой установлен мотор-редуктор с ходовым винтом. На каретке размещены стойки, к верхним концам которых приварены пластины с отверстиями для крепления крышки. Электрошкаф включает в себя электрооборудование, обеспечивающее нормальную работу установки, и источник питания 14 ВАКР 630-2У2.

Стойка сварной конструкции служит для размещения на ней электрожгутов, рукавов для подвода электролита, воды и воздуха.

Особенностью метода ГКО является внедрение инструментального материала в покрытие в процессе его осаждения. Частицы внедряемого инструментального материала, в свою очередь, выступают как центры кристаллообразования. В связи с этим деформацию элементарного объема осаждаемого покрытия следует рассматривать как деформацию поликристаллического тела.

Для определения давления инструмента на осаждаемое покрытие в целях получения качественных износостойких покрытий рассмотрим пластическое течение в цилиндрической трубе, образованной двумя слоями осадка, наносимыми на поверхность детали через некоторый промежуток времени. Течение возникает под действием внутреннего ра и внешнего рь давлений (рис. 2), причем по условиям реализации технологии ГКО ра > рь. Пусть а и Ь - радиусы внутрен-

ней и внешней поверхностей цилиндра в момент времени а0, ь0 - то же в начальный момент времени.

Рассматриваемый деформируемый материал принимаем жесткопластичным в условиях пластического течения. Считаем, что торцевые сечения рассматриваемой заготовки не перемещаются в осевом направлении, т.е. смещение вдоль оси Ж равно нулю.

Найдем значения ра и рь, необходимые для поддержания материала осаждаемого покрытия в чисто пластическом состоянии.

Поскольку задача является

Рис. 2. Расчетная схема нанесения покрытий методом ГКО

осесимметричной, уравнение равновесия материала получаемого цилиндра имеет вид [1]

d ar dr

>& _

= 0,

(1)

где ог, && - радиальное и окружное напряжения, которые зависят только от радиальной координаты г. Введем граничные условия:

l=а =- Ра;

°rlr=b =- Pb.

Условие пластичности для материала оболочки цилиндра

■ 2k.

(2)

(3)

(4)

Здесь к - постоянная, зависящая от осаждаемого материала и температуры:

к

где П - температурный коэффициент; ^ - коэффициент податливости композита.

Граничному условию (2) удовлетворяет функция

°r (r) = - Ра + 2k ln-а

(5)

Второе граничное условие (3) выполняется, если

Яг (Ь) = -Ра + 2к 1П Ь _-РЬ.

а

В результате решения уравнения (6) получим

о,, Ь Ра - Рь _ 2к 1п-а

(7)

Равенство (7) представляет собой условие, необходимое для поддержания материала осаждаемого покрытия в чисто пластическом состоянии. При I = 10

Ра (0) - Pb (0) = 2k ln

а0

(8)

Из условия несжимаемости жесткопластичного материала имеем

ёи и

Г + - = 0

аг г

где и - радиальное перемещение инструмента. Из равенства (9) следует

где с - постоянная.

Поскольку и = ёг/Л, то с учетом соотношения (10)

ёг _ с а г

при условии, что г(^ ~ ¿0) _ г0.

Решив эти уравнения, получим зависимость

г2 - г2 _ 2с(* -

При г0 = а0, г({) = а({)

а2 - а2 _ 2с(^ -10). Решим совместно уравнения (11) и (12):

4

(9)

(10)

■а -а0, r

/r02 + а2 - а^ и

ь=Vb

+ а - а.

На основе выражений (7) и (13) получим

Ра - Рь = 2k ln Ь = k ln а

1 +

b2 - а02 Л

а

(11) (12)

(13)

(14)

c

u

r

Таким образом, для поддержания материала осаждаемого покрытия в чисто пластическом состоянии разность давлений, обеспечиваемая инструментом во время нанесения покрытия, должна удовлетворять равенству (14). В противном случае получаемое покрытие может осаждаться в области упругих деформаций, которые не обеспечивают его прогнозируемые физико-механические свойства, или в процессе осаждения подвергнется переупрочнению, что может вызвать шелушение и отслаивание покрытия от основы.

Уравнение (14) позволяет гарантированно определять диапазон давлений инструмента, при которых можно получить покрытия заданного качества.

Для исследования влияния режимов трения на износостойкость были взяты образцы из высокопрочной стали 30ХГСНА (рис. 3) с хромовым покрытием толщиной 200...250 мкм, нанесенным на наружные цилиндрические поверхности по стандартной технологии гальванического хромирования (серия 1) и по технологии ГКО (серия 2) с характеристиками, приведенными в таблице.

Характеристики исследуемых покрытий

Номер серии Ra, мкм HV, МПа Наличие сетки трещин

в покрытии

1 0,10... 0,16 9800...10 500 Присутствует

2 0,04... 0,06 10 420...11 500 Отсутствует

В каждой серии обрабатывались четыре детали. Для возможности сравнительного анализа износостойкости деталей, полученных по разным технологиям, исследования были проведены на режимах проверки сопротивления износу, опубликованных в работе [2]. Триботехни-ческие испытания выполняли на натурной типовой конструкции узла трения «ось совместно с цилиндрическими подшипниками скольжения» на стенде СТО1А, имитирующего работу подвижных соединения авиационных стоек шасси. Установка снабжена устройством, обеспечивающим возвратно-поступательное движение образца. Пара трения представляла собой стальной цилиндр из стали 30ХГСА по ГОСТ 4543-71 диаметром 30 мм с покрытием, работающий совместно с втулками из бронзы БрАЖ 9-4 по ГОСТ 18175-78. Одновременно испытывали несколько образцов. Начальная скорость вращения подвижного цилиндра составляла 600 мин-1, начальное давление его осевого прижима р = 18,8 МПа. Критериями оценки износостойкости служили коэффициент трения и интенсивность изнашивания.

Рис. 3. Образец для испытаний покрытий

Были исследованы покрытия, полученные при стандартном хромировании, и композиционные хромовые покрытия, нанесенные по новой технологии ГКО. Эталон для сравнения - образец из стали 30ХГСА и образец из бронзы БрАЖ 9-4 - контртело. При построении экспериментальных кривых изнашивания применяли следующее обозначение: все пары трения маркировали двойным кодом, причем первая цифра кода указывала на тип покрытия в паре (1 - стандартное хромовое покрытие; 2 - покрытие дисперсно-упрочненным композитным хромом), а вторая - на характеристику детали в паре трения (1 - образец; 2 - контртело). При проведении эксперимента варьировали давление прижима и условия взаимодействия (без смазки или с пропиткой графитовой смазкой). Изучение зависимости триботехни-ческих свойств основы и покрытий от условий эксплуатации в установившемся режиме показало (рис. 4 и 5), что наличие смазки снижает коэффициент трения и износ контактной пары на всех образцах, однако для композиционного покрытия наличие смазки не является определяющим условием повышения износостойкости.

Из анализа данных, полученных в ходе экспериментов, можно сделать вывод о том, что с увеличением удельных нагрузок интенсивность изнашивания возрастает. Из рис. 4 и 5 видно, что при любых значениях удельных нагрузок интенсивность изнашивания иссле-

Рис. 4. Зависимость износа пары хромовое покрытие - бронза от типа используемого покрытия при р = 18,8 МПа:

а, б - образец; в, г - контртело; а, в - без смазки; б, г - со смазкой

Рис. 5. Зависимость износа пары хромовое покрытие - бронза от типа используемого покрытия при р = 42,2 МПа:

а-г - то же, что и на рис. 4

дуемой пары трения значительно ниже, чем серийной. Объясняется это, по-видимому, особой структурой получаемого покрытия.

В результате исследования антифрикционных свойств пар трения сталь-бронза установлено, что наибольшая убыль массы Ат отмечена для пары сталь-бронза со стандартным хромовым покрытием без смазки, а наименьшая - для пары сталь-бронза с композиционным хромовым покрытием.

Наличие графитовой смазки положительно влияет на интенсивность изнашивания (см. рис. 4, б и 5, б). Масло заполняет все открытые поры и в начальный момент значительно снижает износ и коэффициент трения на участках приработки. Однако после вскрытия закрытых пор наблюдается значительное увеличение износа. Этот эффект можно объяснить накоплением в углублениях пор продуктов изнашивания, которые в дальнейшем играют роль абразива. Для исследуемой пары трения с композиционным хромовым покрытием характерно отсутствие пор на поверхности детали. В связи с этим, по нашему мнению, продукты изнашивания своевременно удаляются из зоны трения, а не накапливаются в ней. Все это обеспечивает наиболее благоприятные условия работы контактных пар и повышает их износостойкость. При увеличении давления прижима контртела от

18,8 до 42,2 МПа (см. рис. 5) при испытании пары со стандартным покрытием износ образца и контртела в начальный период увеличивается примерно в 3 раза. Затем без графитовой смазки условия трения ухудшаются и происходит резкий рост коэффициента трения, вероятно, из-за заполнения выемок поверхности продуктами изнашивания. На рис. 5 видно, что убыль массы контртела в случае исследования стандартного покрытия при работе без смазки в начальный момент времени значительно выше, чем при использовании смазочного материала.

В случае композиционного хромового покрытия убыль массы как образца, так и контртела во всех случаях значительно ниже по сравнению с парой трения, имеющей стандартное хромовое покрытие, причем наличие или отсутствие смазочного материала в зоне трения несущественно отражается на интенсивности изнашивания исследуемой пары. Это объясняется тем, что пористость стандартного хромового покрытия значительно выше, чем покрытия, полученного по методу ГКО, а твердость хромового покрытия выше, чем бронзы, поэтому и износ контртела больше. Несущественное влияние смазочного материала на повышение износостойкости объясняется наличием в покрытии нового типа строго ориентированных инородных включений, которые при взаимодействии с контртелом играют роль твердого смазочного материала.

Выводы. Гальванические композиционные хромовые покрытия, получаемые методом ГКО, значительно повышают стойкость к износу контактной пары как во время приработки, так и на установившемся участке трения. Наличие твердокомпонентных включений на основе карбида титана, играющих роль наполнителя хромовой матрицы, позволяет снизить износ в несколько раз по сравнению с известными гальваническими покрытиями. При этом желательное присутствие для стандартных покрытий смазки в узле трения для нового композиционного покрытия не является существенным фактором увеличения износостойкости.

Представленная технология внедрена в производство деталей топливной аппаратуры и коленчатых валов дизельных двигателей с годовым экономическим эффектом более 582 тыс. руб. (в ценах 2004 г.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быковцев Г.И., Иевлев Д.Д. Теория пластичности. Владивосток: Дальнаука, 1998.

2. Вячеславов П. М., Шмелева Н. М. Методы испытаний электролитических покрытий. Л.: Машиностроение, 1977.

Статья поступила в редакцию 31.10.2011