CC BY
13
МЕ
[АПШ
Рис. 7. Нанесение покрытия методом ФПУ: а — на матрицу вырубного штампа из стали Х12; б — на вытяжную матрицу из стали Х12; в — на вал из стали 45; г — на холодновысадочный инструмент из стали У10
(долговечность упрочненных изделий увеличилась от 2 до 4 раз).
Выводы
Оптимизация технологии модификации поверхности с использованием нанесения нано-покрытия методом ФПУ может быть произ-
ведена на основе исследования параметров наноиндентирования и триботехнических испытаний.
Покрытие системы ЯЮ-С-К, нанесенное с использованием технологии ФПУ, характеризуется высокой твердостью при низком значении модуля упругости и близостью значений модуля упругости покрытия и основы, что объективно должно приводить к увеличению износостойкости поверхностного слоя. Триботехнические испытания образцов с покрытием подтверждают повышение ресурса изделий с покрытием системы 81-0-С-№
Литература
1. Наноструктурные покрытия / Под ред. А. Ка-валейро. М.: Техносфера, 2011. 752 с.
2. Тополянский П. А., Соснин Н. А., Ермаков С. А. и др. Исследования свойств нанопокры-тия, наносимого методом финишного плазменного упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 2. С. 28-34.
3. Горленко А. О., Прудников М. И. Нормализация триботехнических испытаний для создания базы данных по одноступенчатому технологическому обеспечению износостойкости // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2008. № 9. С. 7-13.
4. Горленко А. О., Прудников М. И. Триботехни-ческие испытания поверхностей деталей нормализованным методом: Справочник // Инженерный журнал. 2009. Прилож. № 10. С. 22-24.
5. Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии: Руководство для инженеров. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 406 с.
УДК 621.78/79:629
Исследование наноструктурного покрытия для повышения эффективности работы деталей валопровода
В. Б. Хмелевская, Е. С. Мосейко, В. И. Черненко
Судовой валопровод представляет собой систему валов, соединенных в единую линию для передачи гребному винту крутящего момента, развиваемого двигателем, а также восприятия осевой силы, создаваемой гребным винтом при вращении и передаче нагрузок на вал при вибрации судна. В состав валопровода одновальной установки входят гребной 3, промежуточный 4 и упорный 6 валы (рис. 1). Количество промежуточных
валов зависит от длины валопровода и производственных возможностей. Наибольшая нагрузка приходится на гребной вал, на нем крепится гребной винт 1. Для выхода гребного вала наружу, для его опоры и уплотнения служит дейд-вудное устройство 2. Опорами промежуточных валов являются подшипники 5. В месте прохода валопровода через водонепроницаемые переборки устанавливаются переборочные сальники.
Рис. 1. Валопровод одновальной установки
Длительный опыт эксплуатации судов свидетельствует о том, что до сих пор наблюдаются поломки гребных валов в результате образования трещин. Нарушение работоспособности валопровода приводит к снижению скорости судна или полной потере хода. Ремонты валопровода связаны с большими затратами, которые определяются необходимостью вывода судна из эксплуатации и постановки его в док. На данном основании судовой валопровод следует отнести к числу наиболее ответственных и напряженных деталей энергетической установки.
Основными видами разрушений валопро-водов являются трещины [1], возникающие из-за усталости металла, коррозии, износа рабочих поверхностей при трении [2]. При эксплуатации гребной вал подвержен разрушению в наибольшей степени. По литературным данным были проанализированы часто встречающиеся разрушения гребных валов. Значительное влияние на появление трещин оказывает скорость вращения вала при вибрационных нагрузках. Слабые места, где также возникают разрушения, — это участки наибольшей концентрации напряжений при фрет-тинг-изнашивании различных элементов соединения. К ним относятся:
• выход носового участка шпоночного паза;
• подступечная часть в районе конуса;
• между ступицей гребного винта и торцом кормовой облицовки дейдвудного устройства;
• под концами облицовок дейдвудного устройства;
• зона межоблицовочного покрытия.
В настоящее время для повышения износостойкости применяется процесс плазменного напыления с различными способами упрочнения, например методом послойной ультразвуковой обработки (УЗО). Процесс плазменного напыления заключается в подаче порошка в струю, в которой происходит расплавление наплавляемого материала, осаждающегося на поверхность. При нанесении покрытия на поверхность детали с послойной УЗО
увеличивается работоспособность механизма [3]. Покрытие толщиной несколько десятков микрометров подвергается воздействию колеблющегося ультразвукового концентратора, которое способствует получению сжимающих напряжений. Ультразвуковое воздействие также вызывает деформации в кристаллической решетке. При смещении одной части кристалла по отношению к другой происходит измельчение зерен [4].
Эффективность указанной технологии была исследована с помощью методик оценки коррозионной стойкости, триботехнических характеристик, кавитационной стойкости. За основу брались образцы из материала 38Х2Н2МА, на которые напылением наносился материал ПН85Ю15 и карбид хрома с послойной УЗО.
Основным требованием к испытаниям на коррозионную стойкость является их проведение в условиях, максимально приближающихся к условиям эксплуатации валопровода. Коррозионные свойства покрытия определялись по методу измерения потенциометриче-ских кривых в морской воде на поляризационном приборе.
Определение тока коррозии проводится спустя 3 ч после подачи напряжения. Величина коррозионной стойкости устанавливается по величине потенциала Е, вольт. О скорости электрохимической коррозии можно судить по величине силы тока у, мА/см2, при анодном окислительном процессе. Сравнительные экспериментальные данные были получены путем снятия поляризационных кривых (рис. 2). Поляризационные кривые материала с напылением показали повышение кор-ризионной стойкости в 4 раза по сравнению с материалом без покрытия. На рис. 3 приведена фотография структуры с плазменным
мА/см3
4035302520151050
1,0 Е, В
Рис. 2. Поляризационные кривые материала с напылением (2) и без него (1)
МЕТАШ100БРАБ0ТКД
V
2
Рис. 4. Схема измерения смещения вала: 1 — базовый вал; 2 — проверяемый вал
а) б)
Рис. 3. Структура образца с плазменным напылением и УЗО после испытаний на коррозию в течение 1 месяца. х 200
напылением и УЗО после испытаний на коррозию в течение 1 месяца.
Данные исследования коррозионной стойкости покрытий позволяют предположить устранение дейдвудных бронзовых облицовок. По данным технологических процессов, проводимых на Хабаровском судостроительном заводе, такая технология снижает экономические затраты на изготовление валопровода [4].
Исследование триботехнических свойств материала соединительных муфт валов с покрытиями «никель + титан» показало уменьшение коэффициента трения и смещения валов с 3,00 до 0,75 мм. При изготовлении подшипников скольжения из материалов А020 и ШХ15 с нанесением плазменного напыления материала ПН85Ю15 и карбида хрома получен более низкий коэффицент трения. Схема измерения смещения вала измерялась при помощи линейки и щупа (рис. 4).
Кавитационная стойкость монолитных материалов определяется их прочностными свойствами. Для оценки динамической деформации исследуется зависимость
Рис. 5. Структура покрытия плазменного напыления, выявленная на атомно-силовом микроскопе (наночастицы 12 нм), х 1800: а — без УЗО, б — с УЗО
свойства материалов, но и энергостатическое сочетания материалов и тип схлопывания ка-витационных пузырьков. На рис. 5 показан сравнительный анализ структуры образцов.
Выводы
Нанесение на поверхность плазменного напыления с послойной УЗО создает мелкодисперсную структуру, выявляемую при измерении на атомно-силовом микроскопе. Получение наноструктурированных покрытий улучшает поверхностные свойства деталей, влияющие на повышения коррозионной стойкости и триботехнических характеристик. При эксплуатации деталей судового валопровода это дает большую износостойкость и увеличивает моторесурс.
1
Ут =
^ЕУЪ(г) '
где Ут — динамически деформируемый объем отдельного удара материала; йвн — внешняя энергия отдельного удара; У — скорость удара; Е1 — удельная энергия, поглощаемая изнашиваемым объектом при его упругих и пластических деформациях; 5(г) — функция, учитывающая прочностные характеристики материала. Исследование кавитационной стойкости показало, что на разрушение при кавитации оказывают влияние не только механические
Литература
1. Кохан Н. М. Ремонт валопроводов морских судов. М.: Транспорт, 1980. 240 с.
2. Балацкий Л. Т. Повреждения гребных валов. М.: Транспорт, 1980. 162 с.
3. Панин В. Е. Новые материалы и технологии. Усталостная прочность деталей при напылении плазменных покрытий с ультразвуковой обработкой. Новосибирск: Изд-во Сибирск. отд. АН, 1993. 120 с.
4. Хмелевская В. Б., Леонтьев Л. Б. Повышение надежности судового оборудования. Владивосток: Дальнаука, 2005. 356 с.
