CC BY
18
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
_НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621.797
Оптимизация состава минеральных и органоминеральных материалов для модифицирования поверхностей трения деталей машин
Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Л. Леонтьев, А. Г. Токликишвили
Повышение надежности машин, механизмов и оборудования — одна из актуальных проблем современного машиностроения. Основной причиной отказов большинства деталей и узлов являются различные виды изнашивания трибосопряжений. Повысить износостойкость трибоузлов и соответственно их надежность наиболее целесообразно нанесением композиционных покрытий.
Ранее проведенные исследования [1] позволили установить, что наилучшие триботехни-ческие свойства для пар трения обеспечивают следующие минеральные и органоминераль-ные композиции:
— серпентинит [брутто-формула: М§ X X Ее0 8 • А1о,4 • ®12,1®9 • Н2О • (СаБЮз)^] + силикат природного происхождения [брутто-формула: М§ • Ее0 8 • А1о 4 • 812 1О9 • Н2О X X (СаБ1Оз)о,9]; , , ,
— серпентинит + алюмосиликат природного происхождения, модифицированный полисахаридом природного происхождения [брут-то-формула полисахарида: (С6О4Н7КН2)„].
Для нахождения оптимального содержания серпентинита в этих композициях были проведены испытания в течение 1 ч при нагрузке 500 Н. Испытания на универсальной машине модели УМТВК производства АО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти) проводили по схеме «ролик — ролик» в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,71 м/с. В качестве искусственного загрязнителя использовалась кварцевая пыль дисперсностью 1-5 мкм. Концентрация загрязнителя в топливе составляла 1 %. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (50-55 капель в минуту). Подача смазки менее 50 капель не обеспечивает необходимое количество абразива в зоне трения, кроме того, абразив накапливается в дозаторе и нарушается постоянство его количества в смазке. Увеличение подачи смазки более 60 капель приводит к образованию смазоч-
ного клина между образцами и уменьшению коэффициента трения, скорости изнашивания и температуры в зоне трения. Для смазки применялось дизельное топливо Л-0,5 по ГОСТ 305-82.
Модифицирование поверхности вращающегося образца минеральными и органомине-ральными материалами осуществляли фрикционным методом (неподвижный индентор из серого перлитного чугуна диаметром 45 мм прижимался к образцу, вращающемуся со скоростью 5-1 с (линейная скорость упрочняемой поверхности 0,71 м/с), с усилием 400 Н в течение 1 мин). Модифицирующий состав, состоящий из минерального или органоминерального материала и дизельного топлива, наносили на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данную смесь подавали в зону трения каждые 15-20 с капельным методом.
В качестве параметров оптимизации были взяты: значения износа покрытия и сопряженной детали и коэффициент трения после приработки.
Минимальный износ покрытия и сопряженной детали из стали ХВГ наблюдается после упрочнения хромового покрытия композицией 90 % серпентинита + 10 % силиката природного происхождения, модифицированного полисахаридом природного происхождения (табл. 1); суммарный износ трибосопряже-ния всего 2,2 мг. Увеличение доли силиката в композиции до 20 % приводит к возрастанию суммарного износа до 2,5 мг (на 13,6 %) за счет увеличения износа как покрытия, так и стали ХВГ. При этом износ покрытия возрастает в 2 раза, а стали ХВГ — всего на 5 %. Повышение износостойкости трибосопряже-ния по сравнению с хромовым покрытием без упрочнения составляет соответственно 4,1 и 3,6 раза (табл. 1).
Затем по износостойкости следует композиция, содержащая 90 % серпентинита и 10 % алюмосиликата природного происхождения
МЕШЛООБРАБОТКА
Таблица 1
Результаты триботехнических испытаний сопряжения сталь ХВГ — хром, упрочненного композицией серпентинит + + алюмосиликат, модифицированного полисахаридом природного происхождения
Параметр Содержание серпентинита в композиции, %
0 10 30 50 80 90 100
Износ покрытия, мг 0,5 1,2 1,2 1,0 0,4 0,2 1,0
Износ стали ХВГ, мг 3,2 3,1 2,8 2,6 2,1 2,0 1,9
Суммарный износ трибосопря-жения, мг 3,7 4,3 4,0 3,6 2,5 2,2 2,9
Коэффициент трения после приработки 0,154 0,143 0,146 0,150 0,140 0,122 0,120
Таблица 2
Результаты триботехнических испытаний сопряжения сталь ХВГ — хром, упрочненного композицией серпентинит + + алюмосиликат природного происхождения
Параметр Содержание алюмосиликата природного происхождения в композиции,%
0 10 10* 25 50 75
Износ покрытия, мг 1,3 0,6 1,6 0,8 1,1 1,2
Износ стали ХВГ, мг 2,5 2,1 2,0 2,6 3,4 4,3
Суммарный износ трибосопряжения, мг 3,8 2,7 3,6 3,4 4,5 5,5
Коэффициент трения после приработки 0,129 0,137 0,146 0,143 0,148 0,146
* Композиция дополнительно легирована металлоплакирующим препаратом под торговой маркой «Ресурс», содержащим ультрадисперсный порошок из сплава Cu—Sn, сукцинимид и маслорастворимую соль диалкилдитиофосфорной кислоты в количестве 20 %.
(табл. 2); суммарный износ трибосопряже-ния всего 2,7 мг. Повышение износостойкости трибосопряжения по сравнению с хромовым покрытием без упрочнения составляет 3,3 раза. Более низкая износостойкость дан-
Аш, мг
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
0
2
1
у -1 —с \ \
J N У
10 20 30 40 50 60 70 4,5MgO • 0,7Fe203 • 0,3 CaO • 0,2Mn0 ■
Содержание серпентинита, %
80 90 100
4Si02 • 4H20
Рис. 1. Влияние количества серпентинита в композиции с алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом природного происхождения, на износ трибосопряжения при испытании по схеме «ролик — ролик» в условиях трения при граничной смазке: 1 — покрытие; 2 — сталь ХВГ
ной композиции по сравнению с композицией, содержащей силикат, модифицированный полисахаридом природного происхождения, наблюдается вследствие повышенного износа покрытия, которое объясняется различием образующихся структур в поверхностном слое.
Исследование композиционных покрытий с помощью рентгеноэлектронной спектроскопии на дифрактометре Advance D8 фирмы Bruker (Германия) позволило установить состав металлокерамической пленки на глубине до 100 нм (в атомных процентах):
— при упрочнении хрома алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом: C = = 57,12, O = 22,03, Al = 9,0, Cr = 3,85, Si = 3,27, Ca = 2,31, Fe = 1,85;
— при упрочнении хрома серпентинитом: C = 47,60, O = 22,93, Cr = 18,35, Na = 2,31, Si = 3,47, Mn = 1,95, Fe = 1,85, Al = 1,54;
— при упрочнении хрома композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата, модифицированного полисахаридом: C = = 56,23, O = 21,83, Cr = 10,89, Si = 3,78, Al = = 4,93, Na = 1,78, Mn = 0,33, Fe = 0,23.
Анализ графиков (рис. 1 и 2) показывает, что количество алюмосиликатов в композиции оказывает большее влияние на износ сопряженной детали из стали ХВГ, чем
ПШ1ШЛ
по сравнению с покрытием, модифицированным только серпентинитом.
Анализ литературных источников [2] и патентов (например, патент № 2202600 РФ, МКИ С10М 134/10, опубл. 20.04.2003) показал целесообразность дополнительного легирования минеральных материалов метал-лоплакирующими порошкообразными сплавами антифрикционных цветных металлов. Одновременное использование минеральных материалов (например, серпентинита) и ме-таллоплакирующих добавок позволяет получить стеклометаллокерамическое покрытие, которое должно обладать высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. Для реализации данной идеи была взята композиция, содержащая 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата природного происхождения, которая затем дополнительно легирована металлоплакирующим препаратом под торговой маркой «Ресурс», содержащим ультрадисперсный порошок из сплава Си—Бп, сукцинимид и маслорастворимую соль диал-килдитиофосфорной кислоты.
Результаты исследований для условий трения с наличием абразива в смазке (см. табл. 2) показали снижение износостойкости покрытия в 2,6 раза и повышение износостойкости стали ХВГ на 5 % при добавке в композицию
Таблица 3
Изменения коэффициентов трения в процессе триботехнических испытаний сопряжения сталь ХВГ — хром, упрочненного различными композициями минералов и органоминералов
Состав покрытия Время испытаний, мин
5 10 15 20 30 40 50 60
Хром 0,266 0,274 0,237 0,217 0,220 0,220 0,217 0,212
Хром, упрочненный серпентинитом 0,166 0,151 0,163 0,137 0,149 0,114 0,117 0,120
Хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата 0,171 0,163 0,171 0,157 0,160 0,166 0,146 0,149
Хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата + препарат «Ресурс» 0,143 0,194 0,194 0,171 0,143 0,143 0,140 0,146
Хром, упрочненный композицией 50 % серпентинита + 50 % алюмосиликата 0,177 0,149 0,157 0,160 0,160 0,154 0,151 0,140
Хром, упрочненный силикатом, модифицированным полисахаридом 0,146 0,160 0,154 0,149 0,154 0,154 0,154 0,157
Хром, упрочненный композицией 50 % серпентинита + 50 % алюмосиликата, модифицированного полисахаридом 0,146 0,166 0,160 0,160 0,168 0,157 0,154 0,154
Хром, упрочненный композицией 80 % серпентинита + 20 % алюмосиликата, модифицированного полисахаридом 0,166 0,163 0,166 0,171 0,149 0,151 0,143 0,140
Хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата, модифицированного полисахаридом 0,160 0,168 0,157 0,160 0,149 0,149 0,143 0,122
Аш, мг
4,0 3,0 2,0 1,0
2
1 / г1 ^- -о
V -у"-
0
80
10 20 30 40 50 60 70 Mg • Еео,8 • А1о,4 • 812ДО9 • Н2О • (СаЗЮ3)о,9 Содержание алюмосиликата, %
Рис. 2. Влияние количества алюмосиликата природного происхождения в композиции с серпентинитом на износ трибосопряжения при испытании по схеме «ролик — ролик» в условиях трения при граничной смазке: 1 — хромовое покрытие; 2 — сталь ХВГ
покрытия. Причем износ стали ХВГ прямо пропорционален содержанию силиката в обеих композициях. Введение алюмосиликата в количестве 10 % в композицию позволяет уменьшить износ покрытия в 2,2 раза, а введение алюмосиликата, модифицированного полисахаридом природного происхождения, позволяет уменьшить износ покрытия в 5 раз
а)
535,94 пш
б)
1,19 пш
е)
1,37 пш
0
Рис. 3. Топография поверхностей деталей: а — после хромирования; б — после упрочнения композицией 90 % серпентинита + 10 % природного алюмосиликата, модифицированного полисахаридом; е — после упрочнения композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата
препарата «Ресурс», коэффициенты трения после приработки примерно одинаковы. Однако в процессе приработки коэффициент трения несколько выше (примерно на 12 %) при использовании препарата «Ресурс».
При выборе оптимального состава материала для модифицирования гальванического хрома большое значение имеют коэффициенты трения в трибосопряжении после приработки и ее изменение в процессе приработки, так как они определяют количество теплоты, выделяющейся в трибоконтакте.
Анализ показал, что наименьшие коэффициенты трения (ктр = 0,120 - 0,122) и время приработки имеют композиции (табл. 3):
- хром, упрочненный серпентинитом;
- хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата, модифицированного полисахаридом.
При наличии в композиции алюмосиликата более 10 % наблюдается увеличение коэффициента трения и времени приработки вследствие того, что частицы оксида алюминия появляются в зоне трения, внедряют-
ся как в поры на поверхности хрома, так и в сталь ХВГ, и оказывают режущее воздействие, увеличивая тем самым силу трения.
Оптимальной топографией, обеспечивающей минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля, обладает поверхность хрома после ее упрочнения композицией 90 % серпентинита + 10 % природного алюмосиликата, модифицированного полисахаридом (рис. 3, б). Минимальные параметры шероховатости получаются после модифицирования гальванического хрома органоминеральными материалами (табл. 4).
Хромовое покрытие даже после обработки алмазной пастой (притирки) имеет участки с пирамидальными образованиями (рис. 3, а), имеющими острые вершины и образованными кристаллами хрома, которые вызывают повышенный износ покрытия и сопряженной поверхности в период приработки.
Хромовые покрытия, модифицированные алюмосиликатом, содержащим алюминий, характеризуются наличием на поверхности
0
0
ШШООБРАБОТКА
Таблица 4
Параметры шероховатости образцов из плунжерных пар, восстановленных нанесением различных износостойких покрытий
Материал поверхностного слоя плунжера Среднее арифметическое отклонение профиля Ва, мкм Высота неровностей профиля по десяти точкам Вг, мкм Средний шаг неровностей профиля Ят, мкм Угол наклона неровностей, о
ХВГ 0,068 / 0,119 0,355 / 0,368 2,81 / 0,93 1,0 / 14,4
Хром 0,050 / 0,063 0,290 / 0,364 2,27 / 3,74 3,6 / 14,1
Хром, упрочненный природным силикатом, модифицированным полисахаридом 0,117 / 0,175 0,640 / 0,776 0,39 / 5,45 1,7 / 17,9
Хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата, модифицированного полисахаридом 0,026 / 0,147 0,190 / 0,630 7,93 / 10,9 0,3 / 9,4
Хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата 0,085 / 0,096 0,308 / 0,580 12,28 / 13,24 0,4 / 10,4
П р и м е ч а н и е. В числителе приведено значение параметра по направлению обработки поверхности, в знаменателе — перпендикулярно направлению обработки.
пирамидальных образований (рис. 3, б и е), которые отражают внутреннее строение покрытия. Площадь, занятая ими, возрастает по мере увеличения содержания природного силиката в модифицирующей композиции. Образующиеся выступы в виде пирамид на хромовых покрытиях, несмотря на незначительную высоту выступов (20-50 нм), приводят к повышенному изнашиванию сопряженной детали вследствие их более высокой твердости по сравнению с твердостью стали ХВГ (62 НИС). При этом изнашивания метал-локерамического покрытия не происходит.
На основании проведенных триботехни-ческих испытаний были выбраны две композиции материалов, обладающие наиболее высокой износостойкостью и минимальным коэффициентом трения, для модифицирования поверхностей трения при восстановлении или упрочнении деталей:
— хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата, моди-
фицированного полисахаридом природного происхождения;
— хром, упрочненный композицией 90 % серпентинита + 10 % алюмосиликата природного происхождения.
Применение данных композиций для модифицирования поверхностей трения позволяет повысить износостойкость трибосопря-жения и соответственно его долговечность по сравнению с хромовым покрытием без упрочнения более чем в 3 раза.
Литература
1. Леонтьев Л. Б., Шапкин Н. П., Леонтьев А. Л.
Формирование износостойких покрытий на прецизионных узлах трения // Металлообработка. 2011. № 3. С. 14-17.
2. Погодаев Л. И., Кузьмин А. А. Структурно-энергетические модели надежности материалов и технических средств. СПб.: СПбГУВК, 2010. 123 с.
