CC BY
12УДК 621.664:539.92
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОССТАНОВЛЕННЫХ И УПРОЧНЕННЫХ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ ТИПА
НШ-У
В Н. Логачев
ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В.
Парахина», Россия, г. Орел
Аннотация. Представлены материалы, оборудование и методика проведения исследований, а также результаты триботехнических испытаний на машине трения. Экспериментальные исследования на износостойкость покрытий, полученных микродуговым оксидированием (МДО) на пластически деформированных алюминиевых сплавах АК7ч и АО3-7 на различных составах электролита и режимах нанесения, показали, что повышение в электролите содержания метасиликата натрия выше 14 г/л и гидрооксида калия выше 3 г/л приводит к увеличению износа МДО-покрытия. С другой стороны, при их содержании в составе электролита нижеуказанных значений, МДО-покрытия имеют более высокую микротвердость, что приводит к повышению износа контробразцов. Формирование упрочненного слоя при плотности тока - 25 А/дм2 обеспечивает минимальный износ соединения.
Установлены рациональные режимы МДО и состав электролита, при которых достигается наименьший износ испытуемых соединений: плотность тока - Дт=25 А/дм2; время микродугового оксидирования - Т=2 ч; температура электролита - г=20°С; содержание в электролите гидрооксида калия - СКОН=3 г/л; содержание в электролите жидкого натриевого стекла - СЫа28Ю3=14 г/л.
Ключевые слова: пластическое деформирование, микродуговое оксидирование, износостойкость покрытий, алюминиевый сплав, шестеренный насос.
Введение. Для практического использования МДО-покрытий в машиностроительном и ремонтном производстве особый интерес представляют триботехнические характеристики, наиболее полное представление, о которых можно получить, располагая сведениями о результатах их испытаний на износостойкость [1-10]. Проведенные исследования на изнашивание образцов из пластически деформированных сплавов АК7ч и АО3-7 с МДО-покрытиями и без, а также контробразцов из стали 18ХГТ позволили получить количественную оценку их износостойкости.
Материалы, оборудование и методика проведения исследований. Для проведения исследований использовали образцы, приготовленные из литейного алюминиевого сплава АК7ч ГОСТ 1583-93 и антифрикционного сплава АО3-7 ГОСТ 14113-78. При выборе материала руководствовались тем, что данные сплавы применяются для изготовления корпусов и втулок шестеренных насосов типа НШ-У. Образцы получали распиливанием новых и восстановленных пластической деформацией корпусов и втулок шестеренных насосов НШ-32У-2. Придание поверхностям образцов правильной геометрической формы и получения нужной шероховатости они подвергались механической обработке. Далее, для повышения износостойкости, поверхности подготовленных образцов из алюминиевых
сплавов упрочнялись МДО. Формирование покрытий проводили в электролите, содержащем дистиллированную воду с добавлением гидрооксида калия КОН ГОСТ 9285-78 с квалификацией ЧДА и метасиликата натрия ГОСТ 130078-81, плотностью
33
р=1,47х10 кг/м и модулем m=3,0. Данный электролит широко используется в ремонтном производстве для упрочнения широкой номенклатуры деталей, работающих в различных условиях, и обладает целым рядом достоинств [1-5].
Получение МДО-покрытий проводили на установке МДО, включающей в себя силовой источник питания, ванну для электролита с подвеской крепления деталей и системой водяного охлаждения.
Сравнительную износостойкость поверхностей образцов исследовали в соответствии с ГОСТ 23.224-86 на машине трения МТУ-01 ТУ 4271-001-29034600-2004. Метод испытаний основан на взаимном перемещении прижатых друг к другу с заданным усилием испытуемых образцов в смазочном материале. При испытании регистрируются момент трения (коэффициент трения) с отображением его изменения на экране монитора, а также изменение значения веса испытуемых образцов до и после испытаний на изнашивание. Схема контакта: торцы вращающихся трех контробразцов и неподвижный образец (рисунок 1).
Образцы для испытаний шлифовали на режимах, исключающих образование шлифовочных трещин, повреждений и обеспечивающих шероховатость наружной поверхности до Ra=0,35.. .0,40 мкм. После упрочнения МДО образцы шлифовали наждачной шкуркой до Ra=0,20.. .0,25 мкм, которая является оптимальной для деталей, работающих при гидроабразивном изнашивании [1, 5].
Материалом для изготовления контробразца служила сталь 18ХГТ (из нее изготовлены ведущие и ведомые шестерни шестеренного насоса НШ-32У-2), закаленная до HRC 58.62. Площадь контакта с испытуемым образцом - 1,5 см , шероховатость рабочей поверхности - Ra=0,16 мкм.
Р
Рисунок 1 - Схема контакта образцов машины трения МТУ-01: 1 - Оправка для контробразцов; 2 - контробразец; 3 - образец
За эталон сравнения принимались соединения: образцы из пластически деформированных алюминиевых сплавов АК7ч и АОЗ-7 без покрытия с шероховатостью рабочей поверхности Ra=0,20.. .0,25 мкм, а контробразцы из стали 18ХГТ (НКС 58-62).
Условия смазки обеспечивали путем добавления в зону трения масла. В качестве смазочной среды применяли масло гидравлическое МГ-10-Б по ГОСТ 17479.3-85. Для того, чтобы ускорить процесс изнашивания, в смазочную жидкость добавляли абразив, приготовленный из кварцевого песка, соответствующего требованиям ГОСТ 2138-84, с дисперсностью 3 мкм. Концентрация абразивного материала составляла 3±0,5% по массе масла. Поддержание засорителя во взвешенном состоянии осуществлялось за счет вращения контробразцов.
Испытания образцов на изнашивание осуществляли в течение 50 ч при контактном давлении 0,5 МПа и скорости скольжения 1,0 м/с. Дальнейшие испытания производили при плавном изменении внешней нагрузки от 30 до 105 Н с интервалом 15 Ни скорости скольжения от 0,5 до 1,5 м/с через интервал 0,5 м/с в течение 10 ч каждое испытание. Износ определяли гравиметрическим методом с использованием аналитических весов АДВ - 200М с точностью не более 0,002 г.
Перед взвешиванием на весах образец и контробразцы тщательно промывали в бензоле в течение 20 минут, после чего 40 минут сушили в сушильном шкафу СНОЛ-16 при температуре 60...70°С, с последующим охлаждением в эксикаторе в течение 30 мин. Износ определяли через каждые 10 часов испытаний. Общая продолжительность испытаний каждой пары трения составляла 60 часов.
Результаты исследований. Проведенные испытания на изнашивание образцов из пластически деформированных сплавов АО3-7 и АК7ч с упрочнением МДО и без, позволили дать количественную оценку их износостойкости.
Износ соединения «сталь 18ХГТ - пластически деформированный алюминиевый сплав АО3-7 с упрочнением МДО» измеряли после каждых 10 часов испытаний. Образцы оксидировали на следующих режимах: плотность тока - 25 А/дм2, продолжительность оксидирования - 120 мин., температура электролита - 20°С. Содержание КОН в электролите составляло 1...9 г/л с шагом 2 г/л. Содержание изменяли от 2 до 18 г/л с шагом 4 г/л.
Это позволяло формировать покрытия с разной толщиной и физико-механическими свойствами. Контактное давление при взаимодействии контробразца с поверхностью покрытия, сформированного МДО, составляло 0,2.0,7 МПа с шагом 0,1 МПа. Скорость скольжения контробразцов по поверхности покрытия 0,5.1,5 м/с с шагом 0,5 м/с.
В ходе исследований было установлено, что рабочая поверхность неупрочненного образца после испытаний покрыта множеством глубоких круговых борозд и царапин -следов изнашивания, которые возникли в результате воздействия на металл таких факторов, как смазочная среда, абразив, удельное давление и скорость скольжения (рисунок 2). Поверхность образца, упрочненного МДО, значительно в меньшей степени подверглась влиянию этих факторов при тех же условиях испытания (рисунок 3). На упрочненном образце практически отсутствуют риски и царапины.
Исследования изнашивания сравниваемых пар трения показали (рисунок 4 и 5), что в первые 10.15 часов идет сильное колебание коэффициента трения. Это свидетельствует о том, что идет приработка трущихся поверхностей. Как видно из графиков, коэффициент трения у образцов с покрытием значительно меньше (на сплаве АК7ч более, чем в 2,5 раза, а на сплаве АО3-7 в 3 раза), чем на образцах без покрытия. Необходимо также отметить, что
на образцах без покрытия за счет образования царапин и канавок далее происходит незначительное увеличение коэффициента трения, тогда как на упрочненных образцах наблюдается его снижение. Вероятно, это происходит в связи с истиранием абразива, находящегося между двумя твердыми телами. Из графиков так же видно, что коэффициент трения у сплава АО3-7 ниже, чем у сплава АК7ч. Это объясняется их различным химическим составом, а также содержанием меди и олова в сплаве АО3-7, которые выполняют роль антифрикционного материала [1, 4, 5].
а) б)
Рисунок 2 - Общий вид неупрочненных образцов после 60 ч испытаний на изнашивание: а) - сплав АК7ч; б) - сплав АО3-7
Рисунок 3 - Общий вид упрочненных образцов после 60 ч испытаний на изнашивание: а) - сплав АК7ч; б) - сплав АО3-7
Влияние контактного давления на изменение коэффициента трения при изнашивании испытуемых пар трения на образцах с покрытием значительно меньше, чем на образцах без него (рисунок 6). Это так же связано с тем, что с увеличением контактного давления на неупрочненных образцах возрастает количество царапин, задиров и канавок. Тогда как на образцах с покрытием этого не наблюдается, что говорит об их высокой твердости и износостойкости.
0,173
0,153
0,146
0,133
0,112
0,107
0,093
0,08
0,06В
0,053
0,04
\ л™
и
V 2
Т, ч
0 10 20 30 40 50
Рисунок 4 - Влияние продолжительности испытаний на изменение коэффициента трения на пластически деформированном сплаве АК7ч: 1 - образец неупрочненный; 2 -
образец с покрытием
После 50 часов испытаний было установлено следующее. Несмотря на то, что в испытуемых парах трения с упрочненными МДО образцами отмечено незначительное увеличение износа контробразцов (на 11.16%), износ соединения с упрочненными МДО образцами из алюминиевого сплава АК7ч в 2,5 раза, а из сплава АО3-7 в 3,0 раза меньше, по сравнению с эталонными парами, где использовались неупрочненные образцы (рисунок 7, 8).
0,146 0,133 0,112 0,107 0,093 0,08 0,066 0,053 0,04 0,027 0,013 0
Л
. \ 1
| ч ■ 1 ■ 1 1" у ■
С
2
т, ч
50
0 ю 20 30 до
Рисунок 5 - Влияние продолжительности испытаний на изменение коэффициента трения на пластически деформированном сплаве АО3-7: 1 - образец неупрочненный; 2 -
образец с покрытием
1
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
1
[21
0ч к------ к---
А---- Е---' к---
Р, МПа
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Рисунок 6 - Влияние контактного давления при испытаниях на изменение коэффициента трения: 1 - образец из пластически деформированного сплава АК7ч без покрытия; 2 - образец из пластически деформированного сплава АО3-7 без покрытия; 3 образец из пластически деформированного сплава АК7ч с покрытием; 4 - образец из пластически деформированного сплава АО3-7 с покрытием
И, г
0,12
0,1 0,08 0,06
0,04
0,02 0
Рисунок 7 - Износ после 50 часов испытаний: 1, 1' - образец (сплав АК7ч), соответственно, с покрытием и без него; 2, 2' - контробразец (сталь 18ХГТ), работающий в паре с образцом, соответственно, с покрытием и без него; 3, 3' - износ соединения,
соответственно, с покрытием и без него
И, г
0,1
0,08
0,06 0,04
0,02 0
Рисунок 8 - Износ после 50 часов испытаний: 1, 1' - образец (сплав АО3-7), соответственно, с покрытием и без него; 2, 2' - контробразец (сталь 18ХГТ), работающий в паре с образцом, соответственно, с покрытием и без него; 3, 3' - износ соединения,
соответственно, с покрытием и без него
Вывод. Проведенные сравнительные исследования на изнашивание покрытий, полученных способом МДО на пластически деформированных алюминиевых сплавах АК7ч и АО3-7 на различном составе электролита и режимах их получения, показали, что повышение содержания Ма2БЮз и КОН в составе электролита соответственно выше 14 и 3 г/л приводит к увеличению износа упрочненного слоя. С другой стороны, при содержании в их электролите нижеуказанных значений МДО-покрытия имеют повышенную микротвердость, это приводит к увеличению износа у контробразцов. Увеличение плотности тока при оксидировании до 25 А/дм способствует снижению износа упрочненного слоя покрытия. При больших значениях плотности тока износостойкость МДО-покрытия практически не изменяется. Формирование упрочненного слоя при плотности тока ниже 25
1' 3'
2 3
1 2'
3'
1'
1 2 2' 3
А/дм обеспечивает минимальный износ контробразцов, но при этом резко снижается износостойкость самого покрытия [1-5].
Исследования показали, что рациональные режимы МДО и состав электролита, при которых достигается наименьший износ испытуемых соединений, следующие: Дт=25 А/дм ; Т=2 ч; СКоН=3 г/л; CNa2SiÜ3=14 г/л; t=20°C. Покрытия, полученные способом МДО с соблюдением этих условий, имеют низкий коэффициент трения и высокую износостойкость.
Список использованных источников
1. Восстановление и упрочнение деталей из алюминиевых сплавов микродуговым оксидированием: учеб. пособие / А.Н. Новиков, А.Н. Батищев, Ю.А. Кузнецов. А.В. Коломейченко. Орёл: ОрёлГАУ, 2001. - 99 с.
2. Восстановление деталей транспорта пластическим деформированием с упрочнением плазменным электролитическим оксидированием / Логачев В.Н., Алмосов А.С. // Мир транспорта и технологических машин. 2016. № 4 (55). С. 3-8.
3. Комбинированный способ упрочнения и восстановления деталей механохимическим оксидированием с комбинированно статико-импульсной обработкой / Макаров И.Д., Кузнецов Ю.А., Селеменев М.Ф., Яковлев Д.Д. // В сборнике: Физика и современные технологии в АПК. материалы XI Всероссийской молодежной конференции молодых ученых, студентов и школьников с международным участием. Орел, 2020. - С. 450454.
4. Микродуговое оксидирование как способ повышения ресурса деталей машин при их производстве или восстановлении / Коломейченко А.В., Логачев В.Н., Титов Н.В., Кравченко И.Н. // Техника и оборудование для села. - 2014. - №4. - С. 30-35.
5. Технологии восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники микродуговым оксидированием. Учебное пособие / Коломейченко А.В., Титов Н.В., Логачев В Н., Чернышев Н.С. - Орел: Изд-во Орел ГАУ, 2013. - 131 с.
6. Технологические аспекты определения температуры в металле при формировании покрытий методом гетерофазного переноса и микродугового оксидирования / Кузнецов Ю.А., Марков М.А., Кравченко И.Н., Красиков А.В., Величко С.А., Чумаков П.В., Кулаков К.В. // Электронная обработка материалов, 2021. - Т. 57. - № 1. - С. 70-74.
7. Аспекты термодинамического моделирования микродугового оксидирования алюминия и его сплавов в водных боратных электролитах // Слободов А.А., Марков М.А., Красиков А.В., Быкова А.Д., Кравченко И.Н., Кузнецов Ю.А., Беляков А.Н. / Проблемы машиностроения и автоматизации, 2021. - № 2. - С. 58-71.
8. Технологические аспекты синтеза керамических покрытий проточным способом микродугового оксидирования // Кузнецов Ю.А., Марков М.А., Кравченко И.Н., Красиков А.В., Быкова А.Д. / Новые огнеупоры, 2021. - № 7. - С. 45-49.
9. Исследование внутренних напряжений в тонкослойных оксидных покрытиях на алюминиевых сплавах // Кузнецов Ю.А., Коломейченко А.В., Гончаренко В.В., Кравченко И.Н. / В книге: VI Мiжнародна конференщя, 2019. - С. 177-182.
10. Estimation of wear resistance of oxide and ceramic coatings in the hydrobrasive wear conditions // Kuznetsov Yu.A., Sharifullin S.N., Kolomeichenko A.V., Goncharenko V.V., Feryabkov A.V., Kalashnikova L.V. / В сборнике: Journal of Physics: Conference Series. electronic edition, 2019. - С. 012096.
Логачев Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент, доцент, Россия, г. Орел, ФГБОУ ВО «Орловский Государственный Аграрный университет имени Н.В.
Парахина», logvovan@mail.ru.
RESEARCH OF TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF RESTORED AND HARDENED GEAR PUMPS OF TYPE NSH-U
V.N. Logachev
Annotation. Materials, equipment and research methods, as well as the results of tribotechnical tests on a friction machine are presented. Comparative studies on the wear of coatings formed by micro-arc oxidation (MAO) on plastically deformed aluminum alloys AO3-7 and AK7ch at various modes and electrolyte composition have showed that an increase in the content of potassium hydroxide and liquid sodium glass in the electrolyte is, respectively, above 3 and 14 g / l leads to a decrease in the wear resistance of the hardened layer. On the other hand, when their content in the electrolyte is below the specified values, the coatings have a higher microhardness, which leads to significant wear of counter samples. The formation of a hardened layer at a current density of 25 A / dm ensures minimal wear of the joint. The rational modes of MAO and the composition of the electrolyte have been established, at which the least wear of the tested compounds is achieved: current density - Dt = 25 A / dm ; microarc oxidation time - T = 2 h; electrolyte temperature - t = 20°С; the content of potassium hydroxide in the electrolyte - Ckon = 3 g / l; the content of liquid sodium glass in the electrolyte - CNa2SiO3 = 14 g / l.
Key words: plastic deformation, microarc oxidation, wear resistance of coatings, aluminum alloy, gear pump.
Logachev Vladimir Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, dotsent, dotsent, Russia,
Orel, FGBOU VO «Oryol State Agrarian University named after N.V. Parakhina»,
logvovan@mail.ru.
