CC BY
83
УДК 621.43.002
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВ
В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., Е.А. Нестеренко, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Исследованы триботехнические характеристики вкладышей подшипников, изготовленных с использованием различных технологий. Полученные результаты позволяют определить наиболее технологичный метод.
Ключевые слова: вкладыш, коленвал, гальванический метод, износ, момент трения.
Введение
Подшипники коленчатого вала являются одним из наиболее ответственных деталей, определяющих надежность работы двигателей внутреннего сгорания. Они работают в тяжелых условиях действия переменных нагрузок, повышенных скоростей скольжения и других неблагоприятных факторов, что определяет сложный комплекс требований к технологии их изготовления и свойствам испытуемых подшипниковых материалов.
В настоящее время одним из наиболее перспективных материалов в качестве антифрикционного покрытия для вкладышей подшипников коленчатых валов является баббит [1]. Существуют различные методы нанесения антифрикционного слоя. Сравнение триботехнических характеристик вкладышей с покрытиями, нанесенными различными методами, позволяет определить наиболее эффективный.
Цель и постановка задачи
В практике машиностроительных заводов антифрикционный слой на вкладыши подшипников наносится методами:
1 - центробежного литья;
2 - химико-термической обработки;
3 - гальваническим;
4 - ионно-плазменного напыления.
Целью работы является определение наиболее эффективного из существующих метода
для повышения работоспособности подшипников.
Методика и результаты исследований
Нанесение антифрикционных слоев на вкладыш осуществлялось при конденсации в вакууме высокоскоростных потоков металлической плазмы на обрабатываемых изделиях. Процесс состоит в поочередном нанесении слоев различного состава с заданными физико-механическими свойствами и определенной толщиной; при этом адгезия между слоями должна иметь значения, обеспечивающие высокие эксплуатационные характеристики вкладыша. Для получения требуемых значений адгезии между слоями необходимо производить их осаждение в едином вакуумном цикле, исключающем разгерметизацию установки перед нанесением какого-либо из последующих слоев.
Выбор режимов осаждения слоев покрытия определялся рядом факторов: толщина слоя должна быть равномерной; наносимые слои должны быть как можно более пластичными, обеспечивая хорошую прирабатываемость деталей в узле трения.
Задача достижения равномерности толщины слоя была решена путем установки вкладышей на вращающийся стол, при этом расстояние от катодов до середины кольца, описываемого рабочей поверхностью вкладыша при вращении, было выбрано равным 0,2 м.
Твердость и пластичность слоя зависит от тока дуги, распыляемого материала и величины напряжения смещения на подложке. При использовании вакуум-дугового катода в слое частично содержится капельная фаза, образующаяся при эрозии катода в дуговом пятне. Концентрация капельной фазы является основным фактором, определяющим его шероховатость. Исследования морфологии поверхности показали, что в интервалах тока дуги 10-30 А шероховатость поверхности не превышает Ra 4, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к шероховатости поверхности вкладышей подшипников Ra 6,3.
Значение тока дуги для каждого из осаждаемых материалов должно быть достаточно велико для обеспечения стабильности горения дуги и высокой производительности процесса. С другой стороны, оно должно быть минимально для снижения концентрации капельной фазы в потоке осаждаемого материала.
Значения отрицательного напряжения смещения для каждого из осаждаемых материалов имеют свои определенные ограничения, основным из которых является низкая температура подложки.
Увеличение адгезии между слоями при непрерывном их нанесении может быть достигнуто путем формирования переходных зон смешанного состава между слоями. Высокой адгезией к основе, допустимыми значениями микротвердости и шероховатости поверхности, наилучшими триботехническими параметрами обладают покрытия, полученные при величине отрицательного напряжения смещения на подложке, равной
40 В. Величина адгезионного взаимодействия между первым слоем и основой, так и между последующими слоями превышает величину 60 МПа.
Исследование оценки влияния поверхностного слоя на триботехнические характеристики проводилось на машине трения
СМЦ-2, М-22М. Режимы испытаний определялись на основе условий работы деталей кривошипно-шатунной группы дизеля 5Д49. Для определения износостойкости исследовалась скорость скольжения 2 м/с при нагружении 6 МПа в течение 7 часов. Несущую способность и коэффициент трения определяли при скоростях 1-3 м/с и нагружениях от
2 до 20 МПа. Критерием износостойкости является потеря веса испытуемых образцов, которая определялась взвешиванием на аналитических весах с точностью до 10-4 г. Подсчитывался коэффициент трения и фиксировалось нагружение, при котором происходило изменение момента трения.
Проведены исследования вкладышей подшипников, изготовленных методами центробежного литья, химико-термическим, гальваническим и ионно-плазменным.
1200,----------------------------
1000 4 800 ,
600
2
400 ---------- -
1
200
0 -------------- - .
Ж Методы нанесения покрытий
Рис. 1. Методы нанесения покрытий: 1 - метод центробежного литья; 2 - химико-термический метод; 3 - гальванический метод; 4 - метод ионно-плазменного напыления
Результаты исследований показали, что по степени повышения противозадирных свойств многослойного покрытия вкладыша наибольший эффект дает ионно-плазменный метод (рис. 1).
Эффект повышения задиростойкости, который достигается при ионно-плазменном нанесении антифрикционного слоя, сопровождается снижением сил трения, о чем свидетельствует изменение коэффициента трения (рис. 2).
К / тр
ж
X
ф а.
С о,б
X
ф
* 0,2
200 400 600 800 1000
нагрузка, Н
1 / 3
#
^2^
Методы нанесения покрытий
Рис. 2. Влияние вида нанесения покрытия на изменение коэффициента трения: 1 -центробежное литье; 2 - химико-термическая обработка; 3 - гальванический;
4 - ионно-плазменное напыление
О 200 400 600 800 Н
Рис. 3. Влияние способа нанесения покрытия на линейный износ образцов: 1 - центробежное литье; 2 - химико-термический метод; 3 - гальванический метод; 4 - ионно-плазменное напыление
Проведенные исследования износостойкости показали, что ионно-плазменный метод нанесения покрытий повышает износостойкость материала подшипников в 1,6 - 1,7 раза по сравнению с гальваническим.
Одним из основных требований к вкладышам подшипников является отсутствие макронапряжений в поверхностных слоях вкладышей, что приводит к их разрушению. Исследования проводились только в областях, близких к поверхности.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в антифрикционных покрытиях,
полученных ионно-плазменным и гальваническим методами, отсутствуют макронапряжения.
Важной характеристикой является адгезионная прочность антифрикционных слоев с основой.
Адгезионные испытания проводились на образцах, вырезанных из вкладышей, полученных четырьмя способами, акустическим методом. Наибольшая адгезионная прочность наблюдается у ионно-плазменного покрытия, она составляет 22 МПа.
Выводы
Проведенные исследования показали, что ионно-плазменный метод, используемый для нанесения антифрикционного поверхностного слоя на вкладыши подшипников, улучшает прирабатываемость, повышает моторесурс почти в 2 раза по сравнению с вкладышами, изготовленными гальваническим способом.
Литература
1. Войтов В.А., Стадниченко Н.Г. Техноло-
гии триботехнического восстановления. Обзор и анализ перспектив // Проблемы трибологии. - 2005. - № 2. - С. 86 - 93.
2. Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы
детонационного синтеза, свойства и применение // Успехи химии. - 2001. -№ 7. - С. 686 - 708.
Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 7 июля 2007 г.
