CC BY
129
УДК 621.793.72
А. Н. Зайцев, Ю. П. Александрова, Е. В. Суворова
ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВ ПУТЕМ ВЧ-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
Ключевые слова: трибология, модификация, гамма-облучение.
Определялась влияние величины допустимой дозы облучения на трибологические характеристики графитоф-торопласта 7В-2А. Изучалась возможность повышения износостойкости путем модификации поверхностного слоя контртела (сталь 40Х) в ВЧ-плазме пониженного давления. Самые низкие показатели интенсивности изнашивания и коэффициента трения показали образцы графитофторопласта при работе с нагрузко 2 МПа, предварительно облученные дозой 30 Мрад. Цементация поверхностного слоя контртела привела к повышению трибологических характеристик на 15-20 %.
Keywords: tribology, modification, gamma-irradiation.
The effect of the permissible dose of radiation on the tribological characteristics grafitoftoroplasta 7V-2A was determined. The possibility of increasing the wear resistance by modifying the surface layer of the counterface (steel 40X) in the high-frequency plasma of reduced pressure was investigated. The lowest rates of the wear rate and coefficient of friction of samples showed grafitoftoroplasta when working with a load of 2 MPa, previously irradiated with a dose of 30 Mrad. Cementation of the surface layer increased tribological characteristics up to 15-20 %
Введение
Известны способы обращения с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО) применяемые в промышленности, такие как выпаривание, фильтрование через углеродные или керамические фильтры и др. Очистка ЖРО от радионуклидов осуществляется на установках, в состав которых обычно входит насос.
Данная работа посвящена подбору и исследованию пар трения циркуляционных насосов, где в качестве подшипника применяются неметаллические материалы [1, 2]. В атомной промышленности достаточно широкое распространение получил материал подшипника графитофторопласт марки 7В-2А. Однако его работа ограничивается флюенсом до 5-7 Мрад. Более широкое его применение задерживается отсутствием систематических данных по его радиационной стойкости, а в литературе приводятся лишь отрывочные данные.
Целью работы было определение влияния величины допустимой дозы облучения на трибологические характеристики графитофторопласта 7В-2А. Известно, что оптимальным контртелом к графитофторо-пласту 7В-2А является сталь 2Х17Н2Б-Ш, выпускаемая Челябинским металлургическим заводом, однако эта сталь является большим дефицитом и в насосах для перекачки ЖРО не применяется. Поэтому в качестве контртела применялась сталь 40Х модифицированная в ВЧ-плазме пониженного давления.
Материалы и методика эксперимента
Была рассмотрена возможность повышения износостойкости подшипника путем модификации поверхностного слояконтртела. Модификация проводилась в высокочастотной (ВЧ) плазме пониженного давления (13,3-133 Па). Обработка материалов в ВЧ-разряде пониженного давления осуществлялась за счет бомбардировки ионами, обладающими энергией 10100 эВ при плотности ионного тока на поверхность
0,5-25 А/м2. Помимо бомбардировки, ионы рекомбинируют на поверхности материала с выделением энер-
гии 12,1-24,6 эВ, в зависимости от вида используемого плазмообразующего газа (в нашем случае Аргон + Пропан). В наших образцах зафиксировано повышение содержания углерода на поверхности.
Для проведения трибологических испытаний были изготовлены пластины из стали 40Х с микротвердостью НУ0, 1=5000 МПа. Высокочастотная плазменная обработка (цементация) позволила повысить твердость на 10-15 %. Отмечалось изменение чистоты поверхности с Яа=1,6 - 0,8 мкм.
При перекачке ЖРО материал подшипника подвергается значительному воздействию ионизирующего излучения (особенно при высокоактивном ЖРО)
Использование для этих целей вольфрамоникелевых твердосплавных материалов по ТУ У28.4-30153645.001-2001 или карбидокремниевых материалов по ТУ У28.5-05417377-054-2001 требует решения вопросов, связанных с исключением возможности разрушения деталей пар трения из этих материалов при транспортировке насоса. Кроме того, стоимость деталей из этих материалов значительно выше стоимости некоторых из достаточно распространенных и более технологичных антифрикционных материалов, к которым относится графитофторопластовый материал 7В-2А по ТУ 4820-150-89 [4, 5].
Параллельно с образцами подшипника из графитофторопласта марки 7В-2А были исследованы образцы из фторопласта-4. Проведенный разведочный эксперимент по определению предела прочности при изгибе фторопласта-4 показал, что при дозе облучения 40-50 Мрад у фторопласта-4 повышается хрупкость и твердость. При дальнейших испытаниях на хладотекучесть последняя не была отмечена. Для того, чтобы понять как это отразится на трибологических характеристиках фторопласта-4 объектами исследований помимо образцов из гра-фитофторопласта 7В-2А являлись так же образцы из фторопласта-4.
Образец из графитофторопласта 7В-2А содержал в своем составе 30 % фторопласта-4 и 70 % графита марки АГ-1500. Предварительно образцы были облучены следующими дозами гамма-облучения: 5, 10, 30, 60 Мрад. Облучение образцов проводилось на кобальтовой гамма-установке ГУТ-200М. Трибологические испытания осуществлялись в воде при температуре 50 °С и подвергались контактному давлению 2 и 4 МПа.
Эксперименты проводились при участии сотрудников ИПМех им. А.Ю. Ишлинского РАН на трибометре иМТ-2 фирмы Се1т, используемый для исследования широкого спектра материалов и покрытий в режиме сухого трения или трения со смазкой в диапазоне температур от -20 до +150 °С.
Испытания проходили по схеме “пальчик -диск” при смазке водой. Образец из испытуемого материала закреплялся в держателе.
В качестве контртела использовалась сталь 40Х и 40Х модифицированная. Контртело закреплялось в ванне с водой.
Скорость вращения ванны с образцами составляла п=160 об/мин, что соответствовало скорости скольжения V=0,3 м/с. Продолжительность каждого эксперимента составляла 2 часа. Такой продолжительности достаточно, чтобы паре выйти на стационарный режим работы и для наработки гарантировано измеряемого износа.
Результаты исследований
На основании полученных данных были построены диаграммы изменений коэффициента трения и интенсивности изнашивания от величины дозы облучения (рис. 1, 2, 3, 4) и результаты сведены в таблицах 1, 2.
В н личина до зы о б луч ения о бр ащоЕ, Мрад
Рис. 1 - Динамика изменения интенсивности изнашивания при нагрузке 4 МПа: 1 - фторопласт-4; 2 -графитофторопласт 7В-2А(40Х); 3 - графитофторо-пласт 7В-2А(40Х модифицированный)
Фторопласт-4 обладает одним из самых низких коэффициентов трения и высокой износостойкостью среди конструкционных материалов, и, как видно из результатов эксперимента, введение наполнителя (а именно графита АГ-1500) способствует только улучшению свойств материала. Также, исходя из данных таблицы 2, наблюдается понижение коэффициента трения и темпа износа с увеличением дозы облучения образцов.
Соответственно, при большей нагрузке эти параметры несколько хуже. Это объясняется стабилизацией структуры материала, то есть, в данном случае можно говорить о некотором положительном воздействии дозы гамма-облучения.
Веганина дезы облучения обрищш, Мрад
Рис. 2 - Динамика изменения интенсивности изнашивания при нагрузке 2МПа: 1 - фторопласт -4; 2 - графитофторопласт 7В-2А(40Х); 3 - графи-тофторопласт 7В-2А(40Х модифицированный)
ч, «5
¡3 0Р5
О
О 20 40 во
Еелинина дозы облучения образцов, Ырзд
Рис. 3 - Динамика изменения коэффициента трения при нагрузке 4МПа: 1 - фторопласт-4; 2 -графитофторопласт 7В-2А(40Х); 3 - графитофто-ропласт 7В-2А(40Х модифицированный)
V, 0.45
Беганию, дош облучения образщл, Мрад
Рис. 4 - Динамика изменения коэффициента трения при нагрузке 2МПа: 1 - фторопласт-4; 2 -графитофторопласт 7В-2А(40Х); 3 - графитофто-ропласт 7В-2А(40Х модифицированный)
При обзоре результатов из таблицы 1 видно, что при введении наполнителя в нашем случае -графита АГ-1500 износостойкость фторопласта-4 существенно повышается, а коэффициент трения снижается.
Таблица1 - Изменение интенсивности изнашивания I и коэффициента трения f графитофторопласта 7В-2А при нагрузке 2, 4 МПа
-- р 1 Исходный графи-тофторопласт 7В-2А 5 Мрад 10 Мрад 30 Мрад 60 Мрад
40Х 40Х мо-диф. 40Х 40Х модиф. 40Х 40Х модиф. 40Х 40Х модиф. 40Х 40Х модиф.
При нагрузке 4 МПа
I 8,60 6,80 5,20 4,80 4,10 3,8 5,50 4,90 9,80 7,80
f 0,12 0,08 0,13 0,09 0,14 0,1 0,12 0,09 0,13 0,12
При нагрузке 2 МПа
I 6,40 5,60 4,10 3,90 3,60 3,20 3,50 2,90 4,60 4,10
f 0,14 0,11 0,14 0,12 0,14 0,12 0,12 0,09 0,15 0,12
Самые низкие показатели интенсивности изнашивания и коэффициента трения показал образец графитофторопласта при работе с нагрузкой 2 МПа, облученный предварительно дозой 30 Мрад. Следовательно, можно говорить о том, что такая доза является модифицирующей для него (выравнивающей структуру).
Объясняется это тем, что при получении графитофторопласта порошок сначала прессуют при комнатной температуре, а затем спекают в печах, разогретых до 380 °С. Несмотря на такие “горячие” условия, остаются пустоты между частицами порошка, которые сохраняются в материале в виде микропор размером до нескольких сотен нанометров. С помощью гамма-воздействия микропоры «залечиваются» и, тем самым, гомогенизируется морфология материала.
Таблица 2 - Изменение интенсивности изнашивания I и коэффициента трения f фторопласта-4 при нагрузке 2, 4 МПа
Параметр Исходный фторопласт- 4 30 Мрад 60 Мрад
При нагрузке 2 МПа
I 40,50 29,70 36,3
f 0,23 0,24 0,4
При нагрузке 4 МПа
I 28,40 42,8 45,1
f 0,23 0,2 0,3
При анализе данных из таблиц и диаграмм, превышение модифицирующей дозы сказывается отрицательно на изучаемые параметры. При облучении в 60 Мрад коэффициент трения становится все выше и резко увеличивается износ материала. Модификация поверхностного слоя контртела положительно сказывается на показателях интенсивности изнашивания и коэффициента трения, но основной тенденции не изменяет, определяющейся дозой облучения графитофторопласта 7В-2А (табл. 1).
В результате проведенных исследований влияния гамма-излучения в широком диапазоне доз на фрикционные характеристики подшипникового
материала и его наиболее уязвимого составляющего, были получены экспериментальные данные и определена предельная величина дозы гамма-излучения, выше которой применение данного материала не представляется возможным (60 Мрад). Так же была выбрана доза гамма-облучения 30 Мрад и нагрузка 2 МПа, при которых коэффициент трения и темп износа оптимальны для работы насоса и обеспечивается требуемый ресурс его эксплуатации.
Выводы
1. Исследованы трибологические характеристики графитофторопласта 7В-2А с контртелом из стали 40Х и стали 40Х с модифицированной поверхностью, в зависимости от дозы облучения.
2. Показано, что с повышением контактного давления с 2 до 4 МПа интенсивность изнашивания и коэффициент трения резко возрастают при дозе гамма-облучения выше 30 Мрад.
3. Установлено, что предельно допустимая доза гамма-облучения при работе насоса при перекачке высокоактивных ЖРО со скоростью вращения подшипника 0,3 м/с и нагрузкой 2-4 МПа составляет 30-35 Мрад.
4. Цементация привела к повышению трибологических характеристик (15-20%), а коэффициент трения фторопласта-4 облученный дозой 40-50Мрад не превышает 0,25-0,3.
Литература
1. Чичинадзе, А. А. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / Под ред. А.В Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1988. - 208 с.
2. Юдицкий, Ф.Л. Графитовые уплотнительные устройства/ Ф.Л. Юдицкий. - Л.: «Судостроение», 1971. - 132 с.
3. Чечеткин, Ю.В. Обращение с радиоактивными отходами/ Ю.В. Чечеткин, А.Ф. Грачев. - Самара: Самар. Дом печати, 2000. - 248 с.
4. Стручкова, Т. С. Разработка и исследование полимерных композиционных материалов на основе активации политетрафторэтилена и углеродных наполнителей: дисс. канд. тех. наук. - Комсомольск-на-Амуре, 2008. - 127 с.
5. Грибова, И. А. Основные тенденции создания полимерных композиционных антифрикционных материалов / И.А. Грибова и др.// Обзор аналитической информации. — М.: ИНЭОС, 1996. - 46 с.
© А. Н. Зайцев - сотр. Московского госуд. технич. ун-та им.Н.Э. Баумана, Ю. П. Александрова, Е. В. Суворова - сотр-ки Московского авиац. ин-та, [email protected]
172
