CC BY
34
УДК 621.357.7 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-89-92
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО ТВЕРДОГО
СМАЗОЧНОГО ПОКРЫТИЯ
PREPARATION AND PROPERTIES OF COMPOSITE SOLID LUBRICANT COATING
© 2015 г. И.Н. Щербаков, В.В. Иванов, П.Д. Дерлугян, В. Т. Логинов
Щербаков Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 25-56-72. E-mail: [email protected]
Иванов Валерий Владимирович - канд. хим. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-53-41. E-mail: [email protected]
Дерлугян Петр Дмитриевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, генеральный директор, АО «Особое конструкторско-технологическое бюро «ОРИОН», г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 22-24-45. E-mail: maslianit @inbox.ru
Логинов Владимир Тихонович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, зам. генерального директора, АО «Особое конструкторско-технологическое бюро «ОРИОН», г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 22-24-45. E-mail: [email protected])
Shcherbakov Igor Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, department «Road Transport and Traffic Management», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 25-56-72. E-mail: [email protected]
Ivanov Valeriy Vladimirovich - Candidate of Chemical Sciences, associate professor, department «General Chemistry and Technology of Silicates»», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-53-41. E-mail: [email protected]
Derlugian Peter Dmitrievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, department «Mechanical Engineering Technology», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), general director, J-SC SDTU «ORION», Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 22-24-45. E-mail: [email protected]
Loginov Vladimir Tikhonovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Mechanical engineering technology», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), deputy general director, J-SC SDTU «ORION», Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 22-24-45. E-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность получения композиционного твердого смазочного покрытия. Разработаны состав водной суспензии и технология получения и нанесения данного композиционного покрытия на стальные детали узлов трения. Исследованы трибологические свойства композиционного твердого смазочного покрытия. Проведены производственные испытания подшипников скольжения с нанесенным на внутреннее кольцо композиционным твердым смазочным покрытием. Определено, что композиционное твердое смазочное покрытие с повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения может быть использовано при повышенных температурах и давлениях в узлах трения.
Ключевые слова: композиционное твердое смазочное покрытие; поверхность трения; коэффициент трения; скорость изнашивания; наночастицы алмаза.
The possibility ofproducing a composite solid lubricating coating was examined. The composition of a water suspension and the technology of obtaining and applying of that composite coating onto steel details of friction units were elaborated, too. The tribologic properties of the composite solid lubricating coating were investigated. The production tests of plain bearings coated composite solid lubricating coating on the inner ring were conducted. The fact that the composite solid lubricating coating with increased hardness to wear and low friction coefficient may be used at high temperatures and pressures in friction units was determined.
Keywords: composite solid lubricant coating; the friction surface; friction coefficient; the wear rate; nanoparticles of diamond.
Введение
Получение новых высокоэффективных композиционных антифрикционных покрытий, работающих в узлах трения, является насущной проблемой, так как их применение способствует уменьшению номенклатуры конструкционных и смазочных материалов, используемых в машиностроении [1 - 4].
Известно достаточно большое количество модификаторов и связующих, используемых при создании композиционных твердых смазочных покрытий [2]. Однако зачастую исследователю приходится осуществлять достаточно большой объем экспериментальных работ по анализу возможных компонентов, которые могут входить в состав суспензии. В ЮжноРоссийском государственном политехническом университете (НПИ) имени М.И. Платова ведутся разработки по получению композиционных покрытий на основе применения и исследования явления фазово-разупорядоченного состояния поверхности [3 - 9], которое может проявляться на всех поверхностях, участвующих в трении [10].
Цель работы - разработка технологии получения и исследование свойств композиционного твердого смазочного покрытия, нанесенного на стальные детали узлов трения и обладающего низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью при работе в температурном диапазоне от 20 до 300 °С.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Ранее по результатам исследований (Грант Президента РФ МК-1859.2010.8) был разработан состав суспензии для получения композиционного твердого смазочного покрытия при следующем соотношении компонентов, г/л: дисульфид молибдена - 30 - 60, коллоидный графит - 5 - 10, наночастицы алмаза -5 - 15, оксид магния - 11 - 15, азотная кислота - 30 - 80, фосфорная кислота - 100 - 150, дистиллированная вода до 1 л [11].
Вводимые в суспензию наночастицы алмаза представляли собой ультрадисперсный порошок синтезированных детонационных наноалмазов с размером частиц от 4 до 6 нм. В соответствии с результатами работ [4, 12 - 15] введение наноалмазов в суспензию способствует существенному повышению износостойкости, снижению коэффициента трения разработанного композиционного твердого смазочного покрытия при повышении температуры и удельной нагрузки.
Композиционное твердое смазочное покрытие получали следующими операциями:
1. Подготовка поверхности изделия под покрытие. Стальные изделия подвергались обезжириванию. Операция обезжиривания состоит в удалении загрязнений в виде жировых отложений с поверхности стальных деталей. Проводили стандартным методом, описанным в ГОСТ 9.402-2004.
2. Изготовление связующего твердого смазочного материала. Процесс состоит из смешения азотной и фосфорной кислоты с 500 мл воды при температуре 21 - 23 °С, затем добавляется в раствор оксид магния и перемешивается до полного растворения компонентов.
3. Изготовление суспензии для нанесения твердого смазочного покрытия. Готовим водный раствор с наполнителями следующим образом: в 500 мл воды добавляем порошок дисульфида молибдена, порошок коллоидного графита и ультрадисперсный порошок синтезированных детонационных наноалмазов в соотношениях (г/л), описанных выше. Полученный водный раствор тщательно перемешиваем при помощи лопастной мешалки со скоростью вращения 150 об/мин, до получения однородной массы, и смешиваем со связующим.
4. Нанесение суспензии на стальные изделия. В зависимости от рельефа поверхности стальных деталей наносить суспензию можно двумя способами. Первый - при помощи специального распылителя и второй - при помощи кисти.
5. Температурная обработка. Термическая обработка стальных образцов и деталей с нанесенной на рабочую поверхность суспензией проводится в муфельной печи при температуре 300 °С в течение 120 мин.
С целью подтверждения эффективности предлагаемого состава суспензий для получения композиционного твердого смазочного покрытия были подготовлены четыре композиции (табл. 1).
Таблица 1
Состав композиций суспензий, г/л
Компоненты Номер состава
1 2 3 4
Дисульфид молибдена 30 40 50 60
Коллоидный графит 5 7 8 10
Наночастицы алмаза 5 7 12 15
Оксид магния 11 11 13 15
Азотная кислота 30 40 60 80
Фосфорная кислота 100 120 150 150
Дистиллированная вода, л 1 1 1 1
Трибологические свойства композиционного твердого смазочного покрытия исследовались на возвратно-поступательной машине трения, разработанной в Особом конструкторско-технологическом бюро «ОРИОН» (г. Новочеркасск), скорость перемещения V = 0,132 м/с, Р = 80 МПа при температурах +20 °С, 250 °С и +300 °С. Композиционное твердое смазочное покрытие наносилось на образцы и детали из сталей 40Х и ШХ15, в качестве контртела использовались образцы из стали ШХ15. Линейный износ определялся по базовым точкам на оптиметре с ценой деления
1 мкм. Результаты исследования физико-механических свойств представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты определения трибологических свойств композиционного твердого смазочного покрытия
Температура, °С Номер суспензии
1 2 3 4
Коэффициент трения
20 0,11 0,11 0,10 0,12
250 0,10 0,09 0,09 0,10
300 0,10 0,09 0,10 0,10
Скорость изнашивания, мкм/ч
20 0,14 0,15 0,14 0,16
250 2,0 2,1 2,2 2,0
300 2,2 2,0 2,5 2,0
Проведены натурные испытания трех подшипников ШСП-20 с покрытием сфер внутренних колец композиционным твердым смазочным покрытием. Материал колец - сталь ШХ15. Режим испытания подшипников: Fr = 8700 кгс; амплитуда качаний + 60 °С; частота качаний - 60 качаний в минуту; расчетная долговечность - 5000 нагружений. Термическую обработку проводили при помощи муфельной печи ПМ-1500.
Испытания подшипников ШСП-20 с покрытием сфер внутренних колец проводились на подшипниковом заводе г. Саратова. Наработка подшипников составила 120 % расчетной долговечности.
Выводы
1. Разработан состав водной суспензии для получения композиционного твердого смазочного покрытия из следующих компонентов: дисульфид молибдена, коллоидный графит, наночастицы алмаза, оксид магния, азотная кислота, фосфорная кислота.
2. Применение связующего на основе неорганических соединений и наполнителей в виде дисульфида молибдена, коллоидного графита и наночастиц алмаза обеспечивает композиционному твердому смазочному покрытию повышенную износостойкость и низкий коэффициент трения, что позволяет использовать его при повышенных температурах и давлениях в стальных деталях узлов трения.
Литература
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение. 1985. 424 с.
2. Матвеевский P.M. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. М.: Наука, 1971. 215 с.
3. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Спецвыпуск. Ростов н/Д: 2008. 112 с.
4. Щербаков И.Н., Иванов В.В., Логинов В.Т. [и др.]. Химическое наноконструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Спецвыпуск. Ростов н/Д: 2011. 132 с.
5. Иванов В.В. Состояние структурно-фазовой разупорядо-ченности и свойства неорганических материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 3. С. 60 -61.
6. Иванов В.В. Концепция фазово-разупорядоченного состояния поверхности антифрикционных и износостойких покрытий на сталях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спецвыпуск. Проблемы трибоэлектрохи-мии. 2005. С.128 - 130.
7. Иванов В.В. Роль состояния фазовой разупорядоченности в определении антифрикционных свойств поверхности композиционных покрытий // Междунар. науч.-иссл. журнал. Research Journal of International Studies, 2013. № 8-1. С. 66 - 67.
8. Иванов В.В., Щербаков И.Н. О структурообразовании химически осажденного никель-фосфорного покрытия, модифицированного политетрафторэтиленом // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. Приложение № 2. С. 117 - 119.
9. Иванов В.В., Марченко С.И. Фазово-разупорядоченное состояние поверхности стальных изделий, модифицированных водным раствором на основе силиката натрия // Научная мысль Кавказа. Спецвыпуск, 2006. С. 87 - 89.
10. Щербаков И.Н. О системном подходе к разработке композиционных антифрикционных покрытий [Электронный ресурс] // Инженерный вестн. Дона. 2013. № 1. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n1y2013/1567.
11. Пат. РФ 2473711. Состав твердосмазочного антифрикционного покрытия / Г.Е. Трофимов, И.Н. Щербаков, М.Ю. Шевченко, В.Т. Логинов, П.Д. Дерлугян, В.В. Иванов, Ф.П. Дерлугян. № 2011147961/04. Заявл. 24.11.2011; опубл. 27.01 2013. Бюл. № 3.
12. Ivanov V.V. Concentration waves" model for the tribologic system CM1/LL/CM2 // International Journal of Experimental Education. 2014. № 4. Part 2. p. 58 - 59.
13. Ivanov V. V. "Concentration waves" model for the tribologic system CM1/D/CM2 // International Journal of Experimental Education, 2014. № 4. Part 2. p. 59 - 60.
14. Ivanov V.V. Analysis of synergic effect in compositional coatings with taking into consideration the solid component of the counter-body and the liquid lubricant // European Journal of Natural History, 2015. № 3. С. 36 - 37.
15. Scherbakov I.N., Ivanov V.V. Analysis of synergic effect in compositional Ni - P-coatings // European Journal of Natural History, 2015. № 3. С. 48.
References
1. Garkunov D.N. Tribotekhnika [Tribotechnic]. Moscow, 1985, 424 p.
2. Matveevskii P.M. Temperaturnaya stoikost'granichnykh smazochnykh sloev i tverdykh smazochnykh pokrytiipri trenii metallov i splavov [Temperature resistance of the boundary lubricating layers and solid lubricating coatings by friction of the metals and alloys]. Moscow, Nauka, 1971, 215 p.
3. Ivanov V.V., Shcherbakov I.N. Modelirovanie kompozitsionnykh nikel'-fosfornykh pokrytii s antifriktsionnymi svoistvami [Modeling of the compositional nickel-phosphorus coatings with anti-frictional properties]. Rostov-on-Don, Izd-vo zhurn. «Izv. vu-zov. Sev.-Kavk. region», 2008, 112 p.
4. Shcherbakov I.N., Ivanov V.V., Loginov V.T. i dr. Khimicheskoe nanokonstruirovanie kompozitsionnykh materialov ipokrytii s antifriktsionnymi svoistvami [Chemical nano-design of the composite materials and coatings with anti-frictional properties]. ]. Rostov-on-Don, Izd-vo zhurn. «Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region»,2011, 132 p.
5. Ivanov V.V. Sostoyanie strukturno-fazovoi razuporyadochennosti i svoistva neorganicheskikh materialov [Structural phase disordering state and properties of inorganic materials]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2001, no.3, pp.60-61. [In Russ.]
6. Ivanov V.V. Kontseptsiya fazovo-razuporyadochennogo sostoyaniya poverkhnosti antifriktsionnykh i iznosostoikikh pokrytii na stalyakh [Conception of the phase-disordered state at surface of the both anti-frictional and firmness to wear coatings onto steels]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki. Spetcvypusk. 2005, pp.128-130. [In Russ.]
7. Ivanov V.V. Rol' sostoyaniya fazovoi razuporyadochennosti v opredelenii antifriktsionnykh svoistv poverkhnosti kompozitsionnykh pokrytii [The role of the phase disordering in determining of the anti-frictional properties of surface of the composite coatings]. Mezhdunar. nauch.-issl. Zhurnal = Research Journal of International Studies, 2013, no.8-1, pp.66-67. [In Russ.]
8. Ivanov V.V., Shcherbakov I.N.O strukturoobrazovanii khimicheski osazhdennogo nikel'-fosfornogo pokrytiya, modifitsirovan-nogo politetraftoretilenom [About structural forming of the химически осажденного nickel-phosphorus coating modified by fluoroplastic]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2006, Pril. 2, pp. 117-119. [In Russ.]
9. Ivanov V.V., Marchenko S.I. Fazovo-razuporyadochennoe sostoyanie poverkhnosti stal'nykh izdelii, modifitsirovannykh vodnym rastvorom na osnove silikata natriya [Phase disordered state of the surface of steel knouts modified by water solution based on silicate sodium]. Nauchnaya mysl'Kavkaza. Spetsvypusk, 2006, pp. 87-89. [In Russ.]
10. Shcherbakov I.N. O sistemnom podkhode k razrabotke kompozitsionnykh antifriktsionnykh pokrytii [About systematic approach to composite anti-frictional coatings elaboration]. Available at: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1567
11. Trofimov G.E., Shcherbakov I.N., Shevchenko M.Yu., Loginov V.T., Derlugyan P.D., Ivanov V.V., Derlugyan F.P. Sostav tverdosmazochnogo antifriktsionnogo pokrytiya [The composition of the solid lubricating anti-frictional coating]. Patent RF, no. 2473711, 2013.
12. Ivanov V.V. "Concentration waves" model for the tribologic system CM1/LL,D/CM2 // International journal of experimental education, 2014. № 4. Part 2. pp.58-59.
13. Ivanov V.V. "Concentration waves" model for the tribologic system CM1/D/CM2 // International journal of experimental education, 2014. № 4. Part 2. pp.59-60.
14. Ivanov V.V. Analysis of synergic effect in compositional coatings with taking into consideration the solid component of the counter-body and the liquid lubricant // European Journal of Natural History, 2015. № 3. pp.36-37.
15. Scherbakov I.N., Ivanov V.V. Analysis of synergic effect in compositional Ni-P-coatings // European Journal of Natural History, 2015. № 3. p.48.
Поступила в редакцию 29 сентября 2015 г.
