CC BY
40
УДК 621.7
Д. В. Логинов
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ХРОМ-АЛМАЗНОГО ПОКРЫТИЯ НА ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЯХ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
D. V. Loginov
EXPERIENCE OF USING CHROME-DIAMOND COATING ON THE RUBBING SURFACES FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION "KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BYT.S. MALTSEV", KURGAN, RUSSIA
'щгч
Дмитрий Владимирович Логинов
Loginov Dmitry Vladimirovich [email protected]
Аннотация. Повышение ресурса техники и снижение затрат на ее эксплуатацию относятся к приоритетным направлениям развития современного машиностроения. Электрохимическое осаждение металлов относится к наиболее технологичным и управляемым процессам. Технология наноал-мазного хромирования позволяет улучшить физико-механические показатели твердого хромирования. Так, износостойкость наноалмазного хромирования по сравнению с твердым хромированием увеличивается в 2-5 раз, а коэффициент трения уменьшается на 15-25%.
Узел затвора трубопроводной арматуры работает в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла.
Был произведен опыт по нанесению хром-алмазного покрытия на уплотнительные поверхности узла затвора с последующим испытанием в составе задвижки. Было изготовлено два комплекта деталей узла. Испытания проводились на гидростенде, в комплекте задвижки шиберной номинальным диаметром 150 мм.
Первый комплект испытывался при давлении на входе 10,5 МПа. С 7-го цикла при закрытии и открытии задвижки вращение маховика пошло рывками. После 11-го цикла было принято остановить испытания для ревизии задвижки. Результат испытаний: на трущихся поверхностях седла и шибера имелись царапины.
Второй комплект испытывался при давлении на входе 25,0 МПа. С 5-го цикла при закрытии и открытии задвижки появился скрежет. После 15-го цикла вращение маховика идет рывками. После 21-го цикла задвижка была снята на ревизию. Результат испытаний: на трущихся поверхностях
седла и шибера имелись глубокие царапины и вырывы. Также в полости корпуса были найдена стружка, «срезанная» с уплотнительных полей.
Полученный отрицательный результат можно объяснить низкой твердостью уплотнительных поверхностей. При нагрузках 30-70 МПа происходит деформация базового слоя металла. При нанесении хром-алмазного покрытия на острых гранях уплотнительных полей образуются наросты, которые при работе отламываются и повреждают уплотнительные поля.
Ключевые слова: хром-алмазное покрытие, трубопроводная арматура, износ,упрочнение,трение.
Abstract. One of the priority areas of modern machine building is increasing the resource and reducing its operating cost. Electrochemical deposition of metals is one of the most technologically and controlled processes. The technology of nanodiamond chrome plating makes it possible to improve the physical and mechanical properties of hard chrome plating. So the wear resistance of nanodiamond chrome plating in comparison with solid chromium plating increases by 2-5 times, and the friction coefficient decreases by 15-25%.
The shutter assembly of the pipeline valves operates under conditions of wear, cavitation, cyclic loads, corrosion, in which maximum stresses occur in the surface layers of the metal.
An experiment was made to apply a chrome-diamond coating to the sealing surfaces of the valve assembly, followed by a test in the valve assembly. Two sets of parts were assembled. The tests were carried out on a hydraulic bench in a set of slide valves with a nominal diameter of 150 mm.
The first set was tested at an inlet pressure of 10.5 MPa. From the 7th cycle, when the valve is closed and opened, the rotation of the flywheel is jerky. After the 11th cycle, it was decided to stop the tests for valve revision. The result - scratches on the rubbing surfaces of the saddle and the gate.
The second set was tested at an inlet pressure of 25,0 MPa. From the 5th cycle, a gnash appeared when the gate was closed and opened. After 15 cycles, the rotation of the flywheel is jerky. After 21 cycles, the valve was removed for revision. The result - on the rubbing surfaces of the saddle and the gate there are deep scratches and tears. Also in the cavity of the shell were found shavings, "cut off from the sealing fields.
The result, negative, can be explained by the low hardness of the sealing surfaces. At loads of 30 ... 70 MPa, the base metal layer deforms. When chromium-diamond coating is applied on the sharp edges of the sealing fields, build-ups are formed which, during operation, break off and damage the sealing fields.
Keywords: chrome-diamond coating, pipeline armature, wear, hardening, friction.
Введение. Повышение ресурса техники и снижение затрат на ее эксплуатацию относятся к приоритетным направлениям развития современного машиностроения. Потери из-за износа узлов трения машин в развитых странах оцениваются в 1,3-1,6 % ВВП, а ежегодные затраты на их восстановление, например, в США и странах ЕЭС превышают 200 млрд долларов, в России составляют около 30 млрд долларов.
Нанесение электрохимических покрытий занимает особое место в ряду методов инженерии поверхности благодаря широким функциональным возможностям наносимых покрытий (износостойкие, антифрикционные, коррози-онностойкие, декоративные). При этом электрохимическое осаждение металлов относится к наиболее технологичным и управляемым процессам. Хромовые покрытия, по сравнению с другими функциональными электрохимическими
покрытиями, наиболее часто применяются на практике благодаря сочетанию в них высокой твердости, износо- и коррозионной стойкости, привлекательных декоративных качеств. Однако технология наноалмазного хромирования позволяет в значительной степени улучшить физико-меха-нические показатели твердого хромирования. Так, износостойкость наноалмазного хромирования по сравнению с твердым хромированием больше в 2-5 раз, а коэффициент трения уменьшается на 15-25%. Благодаря своей более беспористой структуре, наноалмазное хромирование имеет более высокую коррозионную стойкость. Таким образом, обладая улучшенными свойствами, предлагаемые упрочняющие покрытия при себестоимости на 10-15% превышающей твердое хромирование, может в два и более раза повысить ресурс работы деталей и узлов [1].
Узел затвора трубопроводной арматуры работает в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии, эрозии, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла [2-6, 8].
Методика. Был произведен опыт по нанесению хром-алмазного покрытия на уплотнительные поверхности узла затвора трубопроводной арматуры с последующим испытанием в составе задвижки [7].
Было изготовлено два комплекта деталей узла затвора [9-11] (комплект: шибер и два седла).
Первый комплект.
Седла: сталь 40Х ГОСТ 4543-2014 с хром-алмазным покрытием. Механические свойства заготовки: Твердость 223-262 НВ, предел текучести а02 г 540 МПа, временное сопротивление разрыву ав г 685 МПа, относительное сужение ф > 45%.
Шибер: сталь 40Х ГОСТ 4543-2014 с хром-алмазным покрытием. Механические свойства заготовки: Твердость 223-262 НВ, предел текучести а02г 540 МПа, временное сопротивление разрыву ав г 685 МПа, относительное удлинение б5 > 15%.
Второй комплект.
Седла: сталь 20X13 ГОСТ 5632-2014 с хром-алмазным покрытием. Механические свойства заготовки: Твердость 235-269 НВ, предел текучести а02г 539 МПа, временное сопротивление разрыву ав г 784 МПа, относительное сужение ф > 45%.
Шибер: сталь 20X13 ГОСТ 5632-2014 с хром-алмаз-ным покрытием. Механические свойства заготовки: твердость 235-269 НВ, предел текучести а02г539 МПа, времен-
С 7-го цикла при закрытии и открытии задвижки вращение маховика идет рывками. После 11-го цикла было принято остановить испытания для ревизии задвижки. В результате ревизии обнаружено, что на трущихся поверхностях седла и шибера (в большей степени со стороны выходного патрубка задвижки) имеются царапины (рисунки 2, 3).
Рисунок 2 - Шибер (сталь 40 с хром-алмазным покрытием)
ное сопротивление разрыву ав г 784 МПа, относительное удлинение б5 г 12%.
Испытания проводились на аттестованном стенде «ГИДРОКОЛЬЦО С20-00.00.000 СБ» в комплекте задвижки шиберной «ручной» номинальным диаметром 150 мм [12-15] производства ООО НПФ «МКТ-АСДМ» (рисунок 1).
Рисунок 1- Испытательный стенд «ГИДРОКОЛЬЦО С20-00.00.000 СБ»
Первый комплект испытывали при давлении на входе 10,5 МПа, изменения, происходящие входе испытания, можно увидеть в таблице 1.
Второй комплект испытывался при давлении на входе 25,0 МПа, изменения, происходящие в ходе испытания, можно увидеть в таблице 2.
С 5-го цикла при закрытии и открытии задвижки появился скрежет. После 15-го цикла вращение маховика пошло рывками. После 21-го цикла задвижка была снята на ревизию. В результате ревизии обнаружено, что на трущихся поверхностях седла и шибера (в большей степени со
Таблица 1 - Испытания первого опытного комплекта (сталь 40Х с хром-алмазным покрытием)
Наработано циклов Давление испытания, МПа Проверки Примечание
Результаты проверок герметичности затвора Величина крутящего момента открытия/ закрытия, Н м Результаты проверок (класс герметичности по ГОСТ Р 54808-2011)
1 5,0 Герметична 80/80 А
2 10,5 Герметична 120/140 А
7 10,5 Герметична 180/200 А При закрытии и открытии задвижки вращение маховика идет рывками
11 10,5 Герметична 180/200 А Снята на ревизию
Таблица 2 - Испытания второго опытного комплекта (сталь 20X13 с хром-алмазным покрытием)
Наработано циклов Давление испытания, МПа Проверки Примечание
Результаты проверок герметичности затвора Величина крутящего момента открытия/ закрытия, Н м Результаты проверок (класс герметичности по ГОСТ Р 54808-2011)
1 10,0 Герметична 100/100 А
5 10,0 Герметична 110/110 А Появился скрежет при открытии и закрытии
10 10,0 Герметична 180/160 А
11 16,0 Герметична 220/280 А
15 16,0 Герметична 270/290 А Вращение маховика идет рывками
Испытания на гидростенде продолжаются, идет поиск новых материалов.
Рисунок 6 - Стружка с уплотнительных поверхностей
Список литературы
1 SINTA. Нанотехнологии - хром-алмазное покрытие. URL: http://nanodiamond.com.ua/chrom-almaznoe-pokri-tie (дата обращения: 20.08.2017).
2 Фоминых A.B., Овчинников Д.Н., Чиняев И.Р. Гидравлическая система удаления навоза из животноводческого помещения. Главный зоотехник, 2013. № 6. С. 57-60.
3 Чиняев И.Р., Фоминых A.B., Сухов С.А. Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запор-но-регулирующей задвижки. Экспозиция нефть газ, 2013. № 3. С. 80-82.
4 Чиняев И.Р., Фоминых A.B., Сухов С.А., Пошивалов Е.А. Определение пропускной характеристики задвижки шиберной запорно-регулирующей. Экспозиция нефть газ, 2015. № 2. С.38-40.
5 Чиняев И.Р., Фоминых A.B., Чиняев И.Р., Ерош-кин B.C. Кавитация в шиберных задвижках. Территория «Нефтегаз», 2013. № 5. С. 48-49.
6 Долматов В. Ю., БуркатГ. К., Myllymäki V., VehanenA. Электрохимическое хром-алмазное покрытие. Сверхтвердые материалы, 2015. № 2. С. 21-45.
7 Логинов Д. В., Фоминых А. В. Обзор методов упрочнения трущихся поверхностей. Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной про-дукци: Материалы 1 Всероссийской научно-практической конференции (15 июня 2017 г.). Курган: Изд-во Курганской ГСХА,2017. С. 36-41.
стороны выходного патрубка задвижки) имеются глубокие царапины и вырывы (рисунки 4, 5). Также в полости корпуса была найдена стружка, «срезанная» с уплотнительных полей (рисунок 6).
Рисунок 4 - Шибер (сталь 20X13 с хром-алмазным покрытием)
Рисунок 5 - Седло (сталь 20X13 с хром-алмазным покрытием)
Выводы. Полученный отрицательный результат можно объяснить низкой твердостью уплотнительных поверхностей. При высоких нагрузках, 30-70 МПа, происходит деформация базового слоя металла. При нанесении хром-алмазного покрытия на острых гранях уплотнительных полей образуются наросты [1], которые при работе отламываются и повреждают уплотнительные поля.
8 Фоминых А.В., Ильиных Е.А., Чиняев И.Р, Пошива-лов Е.А. Определение гидравлических и кавитационных характеристик клеточного клапана. Вестник Курганской ГСХА, 2016. № 1. С. 71-75.
9 Фоминых А.В., Чиняев И.Р, Пошивалов Е.А., Сухов С.А. Регулирование расхода на водозаборе в системе первого подъёма воды. Вестник ЧГАА, 2014, Т. 70. С.136-140.
10 Фоминых А.В., Овчинников Д.Н., Чиняев И.Р. Определение гидравлических характеристик запорно-ре-гулирующих задвижек. Аграрный вестник Урала, 2013. № 2. С. 27-30.
11 Пошивалов Е.А., Чиняев И.Р, Фоминых А.В. Анализ методик экспериментального определения кавитационных характеристик трубопроводной арматуры. Трубопроводная арматура, 2016. № 4. С. 42-45.
12 Чиняев И.Р, Пошивалов Е.А., Фоминых А.В. Опыт использования ГОСТ Р 55508-2013 при определении гидравлических и кавитационных характеристик запорно-ре-гулирующего клапана клеточного. Территория «Нефте-газ», 2016. № 7-8. С. 96- 100.
13 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Poshivalov Е.А. The Method of Determining the Cavitation Characteristics of Valves. Procedia Engineering 150, 2016. Pp. 260-265.
14 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., llinykh E.A. The valve is a shutoff for the passive protection systems of pipelines. Procedia Engineering 150, 2016. Pp. 220-224.
15 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Sykhov S.A. Ener-gy-Saving Shut-Off and Regulating Device. Procedia Engineering 150, 2016. Pp. 277-282.
16 Логинов Д.В. Применение хром-алмазного покрытия на трущихся поверхностях деталей машин. Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодёжи: материалы IX Всероссийской научно-практиче-ской конференции молодых учёных, 2017. С. 65-68.
17 Логинов Д.В. Обзор материалов для покрытия трущихся поверхностей. Научное обеспечение реализации государственных программ АПК и сельских территорий: материалы международной научно-практической конференции, 2017. С. 435-438.
18 Логинов Д.В. Применение минералов природного происхождения для упрочнения поверхностных слоев конструкционных материалов. Методы механики в решении инженерных задач: материалы I Всероссийской науч-но-практической конференции, 2017. С. 24-27.
19 Логинов Д.В. Применение хром-алмазного покрытия на трущихся поверхностях деталей машин. Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодёжи: материалы IX Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных, 2017. С. 65-68.
References
1 SINTA. Nanotechnoiogy - chrome-diamond coating. URL: http://nanodiamond.com.ua/chrom-almaznoe-pokritie (accessed 20 August 2017) (in Russ.).
2 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N., Chinyaev I.R. Hydraulic system for removal of livestock building. Chief livestock expert, 2013. № 6. Pp. 57-60 (in Russ.).
3 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Suhov S.A. Increase of reliability and overall performance of a stop-control gate valve. Exposition of oil gas, 2013. № 3. Pp. 80-82 (in Russ.).
4 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Suhov S.A., Poshivalov E.A. The throughput ability of shutoff and control valves.
Exposition of oil gas, 2015. № 2. P. 38-40 (in Russ.).
5 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Eroshkin. Cavitation in slide gate valves. Territory of Neftegaz, 2013. № 5. Pp. 48-49 (in Russ.).
6 Dolmatov V.Y., Burkat G.K., Myllymáki V., Vehanen A. Electrochemical chrome-diamond coating. Superhard materials, 2015. № 2. Pp. 21-45 (in Russ.).
7 Loginov D.V., Fominykh A.V. Review of methods for the strengthening of surfacing surfaces. Technical support of agricultural production technologies:. Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference (June 15, 2017). Kurgan, 2017. Pp. 36-41 (in Russ.).
8 Fominykh A.V., llinykh E.A., Chinyaev I.R.. Poshivalov E.A. The determination of hydraulic and cavitating characteristics of the cell valve. Vestnik Kurganskoj GSHA (Bulletin of the Kurgan State Agricultural Academy), 2016. №1. Pp. 71-75 (in Russ.).
9 Fominykh A.V., Chinyaev I.R.. Poshivalov E.A., Suhov S.A. Regulation of water withdrawal in the system of the first rise of water. Bulletin of the ChGAA (Chelyabinsk State Agroengineering Academy), 2014, T.1. Pp. 136-140 (in Russ.).
10 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N., Chinyaev I.R. Determination of hydraulic characteristics of locking and regulating valves. Agrarian Bulletin of the Urals, 2012. № 2. Pp. 27-30 (in Russ.).
11 Poshivalov E.A., Chinyaev I.R., Fominykh A.V. Analysis of techniques for the experimental determination of the cavitation characteristics of pipeline valves. Pipeline accessories,
2016. №4. Pp. 42-45 (in Russ.).
12 Chiniaev I.R.. Poshivalov E.A., Fominykh A.V. Experience in using GOST R 55508-2013 in determining the hydraulic and cavitation characteristics of the shut-off valve of the cellular. Oil and gas territory, 2016, № 7-8. Pp. 96-100 (in Russ.).
13 Chinyaev I.R., Fominykh A.V.. Poshivalov E.A. The Method of Determining the Cavitation Characteristics of Valves. Procedia Engineering 150, 2016. Pp. 260-265.
14 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., llinykh E.A. The valve is a shutoff for the passive protection systems of pipelines. Procedia Engineering 150, 2016. Pp. 220-224.
15 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Sykhov S.A. Ener-gy-Saving Shut-Off and Regulating Device. Procedia Engineering 150, 2016. Pp. 277-282.
16 Loginov D.V. Application of chrome-diamond coating on rubbing surfaces of machine parts. Development of scientific, creative and innovative activities of young people: proceedings of the IX all-Russian scientific and practical conference of young scientists, 2017. Pp. 65-68 (in Russ.).
17 Loginov D.V. Overview of materials for the coating of rubbing surfaces. Scientific support of the implementation of state programs of agriculture and rural areas: materials of the international scientific-practical conference, 2017. Pp. 435-438 (in Russ.).
18 Loginov D.V. Application of minerals of natural origin for hardening of surface layers of construction materials. Methods of mechanics in solving engineering problems: proceedings of the I all-Russian scientific-practical conference,
2017. Pp. 24-27 (in Russ.).
19 Loginov D.V. Application of chrome-diamond coating on rubbing surfaces of machine parts. Development of scientific, creative and innovative activities of young people: proceedings of the IX all-Russian scientific and practical conference of young scientists, 2017. Pp. 65-68 (in Russ.).
