CC BY
17
УДК 621.762
ОСОБЕННОСТИ МАССОПЕРЕНОСА В ПАРЕ ТРЕНИЯ ПОРИСТЫИ ПОРОШКОВЫЙ ПОДШИПНИК - КОМПАКТНАЯ СТАЛЬ
© 2014 г. Н.Т. Жердицкий, Н.Н. Жердицкая, Д.В. Лопаткин
Жердицкий Николай Тимофеевич - д-р техн. наук, профессор, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
Жердицкая Наталья Николаевна - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
Лопаткин Дмитрий Владимирович - ведущий инженер Управления по научной работе и инновационной деятельности, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
Zherditsky Nikolay Timofeevich - Doctor of Technical Sciences, professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Zherditskaya Natalia Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Lopatkin Dmitry Vladimirovich - chief engineer, of Management on Scientific Work and Innovative Activity, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Рассмотрены триботехнические свойства порошковых пористых подшипников и особенности массопереноса в парах трения пористые порошковые подшипники - компактная сталь, работающих при реверсивном движении с невысокими скоростями в условиях граничной смазки. Предложена гипотеза модели массопереноса атомов железа с поверхности микрочастиц износа на поверхность стального вала на основе теории ван-дер-ваальсовых сил, объясняющая повышенную износостойкость пористых порошковых подшипников.
Ключевые слова: порошковый пористый подшипник; граничная смазка; пара трения; массоперенос; ван-дер-ваальсовы силы.
Tribological properties of powdered porous bearings and distinctive features mass transfer in friction pairs powdered bearings - compact steel by reverse motion and small speeds has been considered. The hypothesis of mass transfer model of the iron atoms from surface of the micropartides wear on the surface of the steel shaft on the basis theory of van-der-Waals forces, which explains abnormally high firmness the increased wear resistance of porous powdered bearings.
Keywords: powdered porous bearing; boundary lubrication; the friction pair; mass transfer; van-der-Waals forces.
Порошковые спеченные материалы на основе железа отличаются хорошими антифрикционными свойствами и давно применяются в узлах трения. Использование порошковых подшипников скольжения в приводе тормозов автомобилей (автобусов ЛиАЗ, ЛАЗ, «Икарус») показало, что они обладают повышенным ресурсом работы в сравнении с серийными, изготовленными из бронзы БрОЦС 5-5-5 или алюминиевого сплава АСМ.
Цель работы - изучение триботехнических свойств пористого порошкового подшипника и особенностей массопереноса в парах трения пористые порошковые подшипники - компактная сталь, работающих при реверсивном движении с невысокими скоростями.
Порошковые подшипники готовили на основе железного порошка ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86) с введением в шихту 1,5 % карандашного графита ГК-1 (ГОСТ 4404-78) и 2 % медно-
го порошка ПМС-1 (ГОСТ 4960-2009) [1, 2]. Смешивание производили в конусном смесителе в течение двух часов. Холодное прессование осуществляли на гидравлическом прессе П-459 при давлении прессования р = 400 МПа с получением пористости заготовок 18 - 20 %. Холод-нопрессованные заготовки спекали в засыпке А1203 в муфельных печах с силитовыми нагревателями в среде осушенного диссоциированного аммиака с температурой точки росы t тр. = = -20...-30 °С в следующем режиме: t = 1150 ± ± 10 °С, т = 120 мин. Затем производили механическую обработку внутреннего и наружного диаметров подшипников. Для обеспечения долговременного присутствия граничной смазки в зоне трения перед установкой подшипники подвергали пропитке маслом И-12А (ГОСТ 20799-88), нагретом до 80 - 90 °С в течение 60 мин.
Подшипники скольжения поворотного вала разжимного кулака привода тормозов автомоби-
лей работают с невысокими скоростями при реверсивном движении. При эксплуатации подшипников в приводе тормозов автомобилей происходит приработка поверхности шеек вала разжимного кулака, сопряженных с подшипниками. На нагруженной части шеек вала шероховатость поверхности изменяется от Яс 2,5 мкм на начальной стадии приработки до Яс 0,04...0,06 мкм в конце. После приработки шероховатость поверхности вала остается стабильной достаточно длительный период времени (до 1000 ч). В процессе приработки происходит разрушение микронеровностей с отделением упрочненных наклепом мелкодисперсных частиц, которые шаржируют поверхность пористой втулки (рис. 1). Свободные частицы, также как и частицы, внедренные в поверхность втулки, участвуют в процессе приработки.
Рис. 1. Поверхность порошкового подшипника, шаржированная частицей износа
Шаржированные втулки при реверсивном движении поворотных валов являются своеобразными «притирами», формирующими полированные поверхности на нагруженных контактных поверхностях шеек валов. При этом происходит дальнейшее измельчение частиц (продуктов износа) и образование новых частиц при работе притиров и их изнашивании. Размеры микрочастиц в продуктах износа определяли с помощью оптического микроскопа Epiquсnt. Размеры экспериментально выявленных микрочастиц составляют менее 0,1 мкм, что обеспечивает свободное размещение их в граничном слое смазки толщиной около 0,1 мкм (рис. 2).
Для объяснения высокой износостойкости рассматриваемой пары трения и формирования полированной поверхности шеек поворотного вала используем теоретические предпосылки взаимодействия молекулярных сил между твердыми телами, изложенные в фундаментальном учебнике Л.Д. Ландау, Е.М. Лившица [3].
Рис. 2. Микрочастицы износа трибосопряжения стальной
вал - порошковый пористый подшипник (х 2000)
На основе этих предпосылок предложена гипотеза модели массопереноса атомов железа с поверхности микрочастиц на поверхность шейки поворотного вала разжимного кулака привода тормоза автомобилей. Структура конденсированных тел в основном определяется силами, действующими между его частицами на атомарных расстояниях, но определенный вклад в термодинамические величины тела (в его свободную энергию) вносят так называемые ван-дер-ваальсовы силы. Эти силы обусловлены электромагнитными флуктуациями и действуют между атомами на расстояниях, больших по сравнению с атомными размерами а. В конденсированной среде ван-дер-ваальсовы силы не сводятся к взаимодействию отдельных пар атомов, а являются дальнодействующими силами. Тот факт, что их радиус действия велик по сравнению с межатомными расстояниями, позволяет рассматривать вопрос об их влиянии на термодинамические свойства тел с макроскопической точки зрения.
В макроскопической теории [3] ван-дер-ваальсово взаимодействие в материальной среде рассматривается как взаимодействие, осуществляющееся через длинноволновое электромагнитное поле с длиной волны X, большей а. Это понятие включает в себя не только тепловые флуктуации, но и нулевые колебания поля. Важное свойство вклада этого взаимодействия в свободную энергию состоит в его неаддитивности. Этот вклад не просто пропорционален объему тел, а зависит еще и от параметров, характеризующих их форму и взаимное расположение. Именно эта неаддитивность, связанная с дальнодействую-щим характером ван-дер-ваальсовых сил, позволяет выделить их вклад в свободную энергию от гораздо большей ее аддитивной части. Эффекты неаддитивности оказываются заметными лишь при достаточно малых (хотя и больших по сравнению с атомными размерами) характерных
размерах: для тонких пленок, для тел, разделенных узкой щелью, и т.п. [3].
При вычислении вклада электромагнитных флуктуаций в свободную энергию каждый раз учитываются длины волн, соизмеримые с порядком величин характерных размеров неоднородности среды (толщины пленки, ширины щели и т.п.). Поскольку характерные размеры, а с ними и характерные длины волн флуктуаций намного больше атомных размеров, то все свойства этих флуктуаций и их вклад в свободную энергию полностью выражается через комплексную диэлектрическую проницаемость тел [3].
Таким образом, из рассмотренных теоретических предпосылок взаимодействия молекулярных сил между твердыми телами следует, что ван-дер-ваальсовы силы заметно проявляются для тел малых размеров, для тонких пленок и для тел, разделенных узкой щелью. Эти силы действуют между твердыми телами, поверхности которых сближены до очень малых расстояний, удовлетворяющих лишь одному условию: они должны быть больше межатомных расстояний в телах.
В нашем случае взаимодействие твердых тел рассмотрено в электрохимической системе, представляющей собой совокупность «толстого» и «тонкого» электродов, помещенных в слабый
электролит, содержащий ионы железа [4, 5]. Здесь роль «толстого» электрода играет поверхность шейки поворотного вала, «тонких» электродов - микрочастицы, а роль слабого электролита играет слой граничной смазки с продуктами ее деструкции [6]. Схема последовательных этапов взаимодействия микрочастиц и поверхности шейки вала при массопереносе атомов железа представлена на рис. 3.
При реверсивном движении поворотного вала микрочастицы продуктов износа могут оказаться в слое граничной смазки и будут отделены от поверхности шейки вала очень узкой щелью (рис. 3 а). Таким образом, создаются благоприятные условия для проявления ван-дер-ваальсовых сил, обусловленных электромагнитными флуктуациями, и возникновения разности потенциалов между «тонкими» электродами (микрочастицами) и «толстыми» (поверхностью вала). При этом химический потенциал иона железа Fe 2+ на поверхности шейки вала оказывается меньше, чем потенциал этого же иона на поверхности микрочастицы [7, 8]. Это обстоятельство обеспечивает переход ионов железа в электролит с поверхности микрочастиц, которые приобретают отрицательный заряд - два электрона проводимости 22е (рис. 3 б).
Микрочастица _
fe I — Слабый
электролит
X-Т
ч\
Поверхность вала
(рт\ \ —
2i\__; 1 2е\ )
Fe
Fe
Рис. 3. Схема массопереноса атомов железа в гальваническом элементе: а - исходное состояние; б - переход ионов Fe2+ с поверхности микрочастиц в электролит; в - перетекание электронов от частиц на поверхность вала и осаждение ионов Fe2+ с образованием нейтральных атомов железа; г - атомы железа после их переноса
на поверхность вала и микрочастицы в электролите
б
а
в
г
Отрицательно заряженные частицы могут касаться поверхности шейки вала, создавая электрический контакт для перетекания на нее электронов проводимости (рис. 3 в). В результате этого создаются условия для осаждения на поверхности шейки ионов железа Fe и замыкания линий электрического тока гальванического элемента микронных размеров с образованием нейтрального атома железа Fe (рис. 3 г). Такой процесс может продолжаться до полного растворения микрочастиц за счет разности химических потенциалов «тонких» (микрочастиц) и «толстого» (шейки вала) электродов по схеме:
- при появлении зазора между микрочастицами и поверхностью шейки вала происходит переход ионов железа в слабый электролит
Fe - 2е = Fe 2+ ^ слабый электролит;
- при касании микрочастицы с отрицательным зарядом поверхности шейки вала происходит перетекание электронов проводимости на поверхность микрочастицы по электрическому контакту;
- поверхность шейки вала, получив электроны проводимости, притягивает положительные ионы железа с образованием нейтрального атома Fe
Fe 2+ + 2е = Fe.
Далее процесс переноса атомов железа с металлических микрочастиц (продуктов износа) на поверхность шейки вала повторяется. Одновременно с этим процессом происходит непрерывное образование новых микрочастиц в паре трения при ее изнашивании. В определенный момент может наступить состояние динамического равновесия между этими процессами (или своеобразный режим безызносного трения), которое обеспечивает значительное увеличение износостойкости спеченных порошковых подшипников. Можно предположить, что реализация этого механизма приводит к повышению ресурса работы спеченных порошковых подшипников в сравнении с бронзовыми, устанавливаемыми на серийные автомобили.
Следовательно, переход ионов железа в слой граничной смазки (слабый электролит) и перетекание электронов проводимости от микрочастиц на поверхность шейки вала возможны при существовании разности потенциалов между ними, возникновение которой обеспечивается ван-дер-ваальсовыми силами.
Поступила в редакцию
Таким образом, для реализации массопере-носа по описанному механизму необходимы следующие условия:
- процесс образования микрочастиц;
- постоянное наличие граничной смазки;
- реверсивное движение в паре трения втулка - вал;
- невысокое давление в паре трения втулка - вал (до 10 МПа);
- малая скорость вращения (до 0,175 м/с).
В процессе длительной эксплуатации автомобилей с тормозными механизмами, оснащенными порошковыми подшипниками скольжения, обеспечивается высокая износостойкость пары трения благодаря протекающему массопереносу. Длительные стендовые и ходовые испытания приводов тормозов с порошковыми подшипниками (до 1000 ч) показали возможность их работы и без периодической заправки консистентной смазки, применяемой для серийных механизмов.
Литература
1. Жердицкий Н.Т., Жердицкая Н.Н., Лопаткин Д.В. Самоорганизация поверхностей в подшипниках скольжения валов разжимных кулаков тормозной системы автомобилей // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлек-трохимии, материаловедении и мехатронике: междунар. конф. Новочеркасск, 2002. С. 26 - 28.
2. Жердицкий Н.Т., Жердицкая Н.Н., Лопаткин Д.В. Особенности трения в сопряжении компактный материал -пористый порошковый материал // Механика и трибология транспортных систем - 2003: междунар. конгрс. Т. 1. Ростов н/Д., 2003. С. 341 - 344.
3. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие в 10 томах. Т. 9: Статистическая физика. Ч. 2. М., 1992. 664 с.
4. Кирпиченков В.Я., Власов М.В., Кукоз В.Ф. К теории массопереноса при трении // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. 2005. Спецвыпуск: Проблемы трибоэлектрохимии. С. 135 - 138.
5. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): учебник: 4-е изд., перераб. и доп. М., 2001. 389 с.
6. Кирпиченков В.Я., Жердицкий Н.Т., Власов М.В., Жердицкая Н.Н., Лопаткин Д.В. Контактные взаимодействия и механизм массопереноса в паре трения стальной вал - пористый порошковый материал / ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2006. 11 с. Деп. в ВИНИТИ 27.10.1006.
7. Власов М.В., Кирпиченков В.Я., Кукоз В.Ф. Влияние электромагнитных флуктуаций на химический потенциал иона в электролите // Изв. вузов Сев.-Кавг. регион. 1998. № 2. С. 66 - 70.
8. Власов М.В. Флуктуационная разность потенциалов между толстым и тонким электродами, помещенными в электролит // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. 1998. № 2. С. 97 - 98.
18 ноября 2013 г.
