CC BY
28
УДК 621.793
Упрочнение поверхностей трения стальных деталей трибомодификацией органонеорганическими материалами
Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Л. Леонтьев, А. Г. Токликишвили
В работе приведены механические и триботехнические свойства, параметры шероховатости и топография тонкопленочных покрытий, полученных в результате трибомодификации стали 45 различными органонеорганическими триботехническими материалами, а также созданным на основе вермикулита композитом. Сравнительные триботехнические испытания позволили установить, что наиболее перспективными материалами для трибомодифицирования поверхностей трения сталей являются нанострук-туированные органонеорганические триботехнические материалы: модифицированный вермикулит и композит на основе модифицированного вермикулита, позволяющие получить минимальный коэффициент трения и высокую износостойкость сопряжения в условиях трения при граничной смазке.
Ключевые слова: триботехнический материал, модифицирование, покрытие, нанотвердость, модуль упругости, трение, износ.
Введение
В настоящее время повышение надежности машин, механизмов и оборудования представляет собой актуальную проблему и возможно при решении следующих технологических задач: разработки современных износостойких и антифрикционных материалов, выбора оптимального сочетания материалов для конкретных условий работы трибосопряжения и разработки оптимальной технологии нанесения износостойкого или антифрикционного покрытия на деталь либо поверхность трения трибосопряжения.
Обработка поверхностей трения триботехни-ческими материалами существенно улучшает эксплуатационные свойства рабочих поверхностей трибологического узла: уменьшает параметры шероховатости, коэффициент трения и скорость изнашивания, повышает твердость поверхностного слоя, усилие задира вследствие формирования защитного металлокерамиче-ского слоя. В качестве триботехнических материалов наиболее часто применяют природные слоистые силикаты или их смеси [1, 2].
Перспективными триботехническими материалами считаются смеси и композиции на основе серпентинита и вермикулита, модифицированные природным высокомолекулярным полисахаридом [2], а также серпентинит, модифицированный природным высокомолекулярным полисахаридом (хитозаном) [3].
Существенным недостатком природных слоистых силикатов является их повышенная абразивность, особенно в период формирования покрытия [4], что ограничивает их применение для модифицирования поверхностей трения трибоузлов. Кроме того, силикаты даже из одного месторождения существенно различаются по химическому составу и структуре и, соответственно, по триботехническим характеристикам.
Улучшить триботехнические характеристики природных слоистых силикатов можно путем их химического модифицирования, снижающего фрикционные качества композиции за счет удаления значительной части абразивных элементов, таких как А^Оз, ТЮ2, и последующего плакирования природными или искусственными полимерами [5, 6].
1Е1АЛЛ00
|РАБ0ТК/1
В качестве объекта исследования для определения влияния трибомодификации шеек ор-ганонеорганическими материалами на надежность трибоузла взят подшипник скольжения коленчатого вала судового среднеоборотного дизеля, который в значительной степени лимитирует ресурс дизеля до капитального ремонта вследствие его высокой нагруженности.
Материалы и методика испытаний
Для исследований триботехнического эффекта от снижения количества абразивных элементов в композиции использовали недорогой и широко распространенный вермикулит, имеющий следующий элементный состав (%): 8Ю2 — 42,73, А1203 — 11,78, MgO — 29,47, Ре203 — 8,72, СаО — 5,75, Т102 — 0,85, К20 — 0,14, МпО — 0,17, Сг203 — 0,39. Размеры частиц вермикулита после обработки в кавита-ционном диспергаторе — 0,1-1,0 мкм.
Для повышения антифрикционных свойств алюмосиликат обрабатывали кислотой. Элементный состав вермикулита после модифицирования кислотой (%): 8Ю2 — 80,63, А^0з —
5.18, Mg0 — 1,06, Ге203 — 0,34, Са0 — 1,01, Т102 — 0,17, К20 — 0,36, Мп0 — 0,17, С1 —
2.19, другие — 0,19. Размер частиц алюмосиликата после химической обработки — 20-100 нм.
Для сравнительных исследований взят серпентинит, имеющий следующий элементный состав (%): 8Ю2 — 32,1, А1203 — 23,2, Mg0 — 33,5, Ге203 — 9,7, К20 — 0,9, Са0 — 0,6, СГ203 — 0,4, Мп0 — 0,2. Крупность частиц серпентинита после его обработки в диспергаторе находится в пределах 0,05-1,0 мкм.
Характеристики хитозана
Молекулярная масса М, Д, не более . . . 200 000
Содержание Н20, % ............................8,8
П 1%-ного раствора, мг • с-1 .........88,0
Степень дезацетилирования.........84,0
Содержание, %:
С..................................................41,8
N..................................................7,5
Химическое модифицирование вермикулита изменяет его структуру, а природный полисахарид плакирует частицы алюмосиликата. Благодаря этому повышаются стабильность,
прочность и долговечность антифрикционного покрытия. Для повышения содержания магния в композиции ее легировали карбонатом магния. Введение хитозана практически не изменяет структуру модифицированного алюмосиликата. Однако введение ионов магния, которые образовались в результате взаимодействия карбоната магния с кислой средой по уравнению MgC03 + 2Н+ ^ Mg2 + Н20 + + С02^, привело к появлению новой структуры на поверхности алюмосиликата в результате реакции линейного полимера (хитозана) с ионами магния [7].
Структура вермикулита, модифицированного кислотой, хитозаном и карбонатом магния, приведена на рис. 1.
Известно, что износостойкость триботехни-ческого узла зависит от химического состава материалов поверхностных слоев, их структуры, механических свойств, а также топографии поверхности [8].
Для оценки влияния состава триботехни-ческих материалов на механические характеристики и топографию поверхностного слоя стали 45 в результате технологического процесса модифицирования и формирования тонкопленочного покрытия определяли микро- и нанотвердость, а также модуль упругости поверхностного слоя методом наноиндентирова-ния на ультрамикротестере для динамических испытаний твердости материалов БиН-2118 фирмы Shimadzu (Япония), топографию поверхности — с помощью сканирующего зондо-вого (атомно-силового) микроскопа SPM-9600 фирмы Shimadzu с высоким пространственным разрешением.
Мд
МН3-|
НО
з
ОН
Рис. 1. Структура комплекса, находящегося в межслоевом пространстве вермикулита, модифицированного кислотой, хитозаном и карбонатом магния
п
МЕШПООБМБОТК|»
Механические свойства по глубине исходных образцов после шлифования, модифицирования и трибоиспытаний определяли методом наноиндентирования при нагрузке 19,61 мН, обеспечивающей максимальную глубину отпечатка не более 0,34 мкм, и нагрузке 191 мН, обеспечивающей максимальную глубину отпечатка не более 1,66 мкм.
Триботехнические испытания проводили на универсальной машине УМТВК по схеме «ролик — колодка» в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,63 м/с. Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали 45 в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм. На исследуемых судовых среднеоборотных дизелях шейки коленчатых валов имеют твердость от 164 НВ до 58 ИИС, поэтому часть образцов изготавливали из стали 45 без дополнительной термообработки, их твердость находилась в диапазоне 158-167 НВ (среднее значение твердости — 162 НВ), часть образцов подвергали закалке с последующим отпуском для получения твердости 44 ± 1 ИИС. Перед испытаниями образцы полировали до Яа = 0,32 мкм.
В качестве неподвижного образца использовали колодки, вырезанные из вкладыша Ш11еп1а§ег (МГЬа 33), который имеет регулярный микрорельеф в виде винтовой канавки глубиной 16-40 мкм с шагом около 0,15 мм на всей поверхности трения, что обеспечивает высокую усталостную прочность и способность выдерживать высокие удельные нагрузки.
Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Для смазки применяли работающее дизельное масло М-14-Д2 (цл 30) по ГОСТ 12337-84 с главного судового среднеоборотного дизеля (СОД), эксплуатировавшегося на тяжелых сортах топлива, поскольку такая смазка содержит повышенное количество механических примесей. Характеристики работающего масла и содержание в нем продуктов износа и сгорания соответствовали типичным средним значениям для СОД, эксплуатирующихся на тяжелых сортах топлива:
Вязкость при 100 °С, сСт.............15,8
Щелочное число, мг КОН/г...........20,3
Содержание механических примесей, % . . . 1,5
Содержание элементов, г/т:
Fe...........................8,5
Al...........................6,3
Cr...........................2,6
Si...........................6,3
Pb..........................4,3
Sn...........................12,1
Cu..........................4,5
Износ образцов определяли весовым способом на лабораторных весах с ценой деления 0,1 мг AUW 220D фирмы Shimadzu (Япония).
Температуру в зоне фрикционного контакта измеряли с помощью инфракрасного пирометра Optris Mimisight (Германия).
Поверхности трения модифицировали фрикционным методом. Модифицирующий состав из модифицирующего материала и масла наносили на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения эту смесь подавали в зону трения каждые 15-20 с капельным методом. Для модифицирования конструкционных сталей (45, 40Х и др.) предпочтителен режим ступенчатого увеличения усилия прижатия ин-дентора к упрочняемой поверхности: интервал — 100 Н, минимальное усилие — 100 Н, максимальное — 400 Н, время воздействия при каждой нагрузке — 1 мин. Индентор изготовили из стали 45 твердостью 42-45 HRC.
Результаты эксперимента и их обсуждение
В результате исследования механических свойств поверхностных слоев образцов из стали 45 после шлифования и последующей их трибомодификации различными материалами установлено, что механическая обработка и модифицирование оказывают значительное влияние на твердость и модуль упругости (табл. 1).
Шлифование повышает нанотвердость и модуль упругости поверхностного слоя на глубине до 0,26 мкм, дальнейшее увеличение максимальной глубины отпечатка приводит к их снижению, и на глубине 0,6 мкм они стабилизируются.
Модифицирование стали органонеоргани-ческими материалами снижает модуль упругости на глубине от 0,2 до 1,6 мкм (в зависимости от химического состава материала). Твердость поверхностного слоя зависит от при-
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
меняемого материала. Так, использование серпентинита снижает твердость поверхностного слоя, вермикулит и составы на его основе увеличивают нанотвердость.
Следует отметить, что в случае использования вермикулита наблюдается существенный разброс значений нанотвердости: на фоне невысоких значений твердости основной матрицы имеется много включений с большими значениями твердости (табл. 1). Модифицирование вермикулита кислотой уменьшает модуль упругости поверхностного слоя, но не изменяет распределение значений нанотвердости, хотя при этом химический состав исходного материала для модифицирования имеет намного меньше элементов с повышенной твердостью.
Введение хитозана и карбоната магния в модифицированный вермикулит стабилизирует твердость поверхностного слоя, но при этом увеличиваются среднее значение модуля упругости и разброс значений модуля упругости.
Толщина модифицированного слоя в зависимости от применяемого органонеорганиче-ского триботехнического материала достигает 0,16-0,34 мкм.
Таким образом, трибомодификация стали органонеорганическими материалами позволяет управлять механическими свойствами поверхностного слоя стали, например, путем модифицирования вермикулита и создания различных композитов на его основе.
Триботехнические испытания пары трения «вал — вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 162 НВ позволили установить (табл. 2), что модифицирование стали триботехническими составами снижает скорость изнашивания стали 45 во всем диапазоне нагрузок, а коэффициент трения и температура в зоне трибоконтакта уменьшаются при максимальной нагрузке. Наиболее высокая износостойкость стали обеспечивается при ее упрочнении вермикулитом, модифицированным кислотой и композитом на основе вермикулита, меньшая — при использовании серпентинита и вермикулита. Следует отметить, что при использовании вермикулитов наблюдается повышенный износ сопряженной детали вследствие большого содержания абразивных элементов в формируемом покрытии. Модифицирование вермику-
Таблица 1
Механические свойства стали 45 после модифицирования триботехническими материалами
Материал для модифицирования Максимальная нагрузка Pmax, мН Максимальная глубина отпечатка hmax> мкм Модуль упругости покрытия Е X 105, МПа Динамическая нано- и микротвердость HV
19,6-19,7 0,043-0,255 4,72-21,96 406-687
Немодифицированная 19,7 0,126 12,61 582
сталь после шлифования 145-207 0,349-0,978 1,39-4,43 235-268
178 0,597 2,68 256
19,7-20,0 0,036-0,370 1,13-12,40 371-519
Серпентинит 19,8 0,171 6,22 489
198-253 1,023-2,267 0,49-1,24 215-255
215 1,660 0,76 244
19,7-19,8 0,047-0,323 1,26-2,71 386-1120
Вермикулит 19,7 0,159 1,78 694
154-160 1,556-1,753 0,29-0,36 285-392
158 1,626 0,33 333
19,7 0,077-0,431 0,59-1,01 353-1160
Вермикулит + HCl 19,7 0,341 0,79 699
145-151 0,990-1,157 1,46-2,35 329-614
147 1,044 2,14 454
19,7 0,051-0,285 0,22-5,92 549-787
Композит (вермикулит + 19,7 0,177 2,3 604
+ HCl + хитозан + MgCO3) 156-159 0,427-0,525 3,88-9,18 184-288
158 0,453 7,42 232
П р и м е ч а н и е. В числителе приведен интервал изменения значения параметра, в знаменателе — сред-
нее значение параметра.
Таблица 2
Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал — вкладыш» при различных покрытиях и твердости стали 162 НВ
Материал для модифицирования Нагрузка, Н Время испытаний, ч k «тр t ОС ••max» ^ Средняя скорость изнашивания, мг/ч
вала вкладыша
Неупрочненная сталь (контрольный образец) 40 0,5 0,072 27,6 4,6 3,0
100 0,5 0,057 28,7 6,1 3,4
200 1,0 0,043 36,9 6,3 3,1
400 2,0 0,050 66,4 6,7 6,2
Серпентинит 40 0,5 0,072 28,1 0 0,8
100 0,5 0,100 30,4 0,6 2,4
200 1,0 0,057 33,4 2,4 2,3
400 3,0 0,043 35,9 1,4 5,0
Вермикулит 40 0,5 0,072 30,7 2,4 6,0
100 0,5 0,057 33,4 2,2 3,6
200 1,0 0,028 34,8 2,5 12,0
400 1,0 0,018 43,3 1,8 3,4
Вермикулит + HCl 40 0,5 0,023 25,0 0 2,8
100 0,5 0,086 25,7 0 2,5
200 1,0 0,057 26,8 0,3 4,0
400 1,0 0,036 30,1 0,1 13,3
Композит (вермикулит + HCl + хитозан + MgCO3) 40 0,5 0,108 29,1 0,0 3,2
100 0,5 0,112 33,5 1,0 2,4
200 1,0 0,050 33,4 0,0 3,2
400 1,0 0,043 35,0 0,4 0,7
лита кислотой существенно повышает износостойкость стали и трибосопряжения в целом, однако при повышенных нагрузках скорость изнашивания вкладыша резко возрастает. Применение серпентинита не обеспечивает высоких триботехнических свойств пары трения «вал — вкладыш подшипника» вследствие низких значений твердости и модуля упругости поверхностного слоя. Наиболее оптимальные триботехнические свойства стали и трибосопряжения обеспечивает упрочнение вермикулитом, модифицированным кислотой, хитозаном и М§СО3, благодаря высокой твердости и однородности твердости покрытия (отсутствуют включения с высокой твердостью) и оптимальному сочетанию значений твердости и модуля упругости. Модифицирование силикатов хитозаном повышает износостойкость формируемых покрытий, но увеличивает коэффициент трения.
В результате сравнительных триботехниче-ских испытаний пары трения «вал — вкла-
дыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 42-45 ИИС установлено (табл. 3), что модифицирование стали серпентинитом существенно снижает скорость изнашивания стали и вкладыша, однако эффект упрочнения по мере возрастания нагрузки снижается. Следует отменить низкие коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта при максимальной нагрузке. Модифицирование серпентинита хитозаном повышает износостойкость как стали, так и трибосопряжения в целом, но увеличивает коэффициент трения. Наиболее оптимальные триботехнические свойства стали и трибосо-пряжения обеспечивает упрочнение композитом на основе вермикулита.
Модифицирование силикатов хитозаном повышает износостойкость формируемых покрытий, но увеличивает коэффициент трения.
Анализ параметров шероховатости и топографии поверхностей трения стальных не-упрочненных образцов и после их модифици-
Таблица 3
Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал — вкладыш» при различных покрытиях и твердости стали 44 HRC
Материал для модифицирования Нагрузка, Н Время испытаний, ч ^р t °С ^max' ^ Средняя скорость изнашивания, мг/ч
вала вкладыша
Неупрочненная сталь (контрольный образец) 40 0,5 0,072 23,4 2,1 10,4
100 1,0 0,043 25,9 2,0 9,4
200 3,0 0,043 33,7 2,3 7,3
400 3,0 0,047 56,6 4,1 15,9
Серпентинит 40 0,5 0,072 28,1 0,4 0,4
100 1,0 0,057 30,9 1,4 5,6
200 3,0 0,043 31,8 1,9 4,7
400 3,0 0,014 35,4 3,6 10,6
Серпентинит + хитозан 40 0,5 0,072 29,6 0,7 5,2
100 0,5 0,086 32,3 0 3,2
200 1,0 0,129 33,4 1,8 3,8
400 1,0 0,036 43,3 3,4 8,6
Композит (вермикулит + HCl + + хитозан + MgCO3) 40 0,5 0,072 26,6 0,0 0,2
100 0,5 0,100 28,3 1,0 1,2
200 1,0 0,129 30,1 0,1 2,5
400 2,0 0,036 33,5 0,4 3,2
рования органонеорганическими материалами позволил установить значительную анизотропию геометрических характеристик по направлениям (табл. 4 и 5). Причем для всех поверхностей трения минимальные значения микронеровностей совпадают с направлением механической или упрочняющей обработок.
Параметры шероховатости поверхностей трения стальных неупрочненных образцов в процессе испытаний в условиях трения при граничной смазке существенно изменяются, а именно: параметры шероховатости увеличиваются только в направлении, перпенди-
кулярном к направлению вращения образца вследствие образования царапин и рисок на поверхности (табл. 5) из-за наличия механических примесей в циркуляционном масле дизеля, средний шаг неровностей профиля возрастает в обоих направлениях более чем в 5 раз.
Максимальные значения параметров шероховатости Ra и Rz, достигаются при модифицировании стали серпентинитом, они превышают даже параметры неупрочненной стали. Минимальные значения параметров шероховатости достигаются после модифицирования
Таблица 4
Профилограммы микронеровностей поверхностей стали 45 (твердость 162 HB) с различными типами покрытий
По направлению вращения образца
Перпендикулярно к направлению вращения образца
Немодифицированная сталь после шлифования (исходный образец)
Продолжение табл. 4
По направлению вращения образца
Перпендикулярно к направлению вращения образца
Серпентинит
Вермикулит
29.77 [um]
Вермикулит + HCl + хитозан + MgCO3
[Roughness А-В] 0 65 Width:29.41[um]
[um]
V чу ^ Г- v\f "—■-■■■'"У4-'
-0.65
29.41 [um]
стали композитом на основе вермикулита, а топография поверхности близка к идеальной, что обеспечивает высокую фактическую площадь контакта и минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увели-
чения опорной длины профиля при хорошей маслоудерживающей способности благодаря большому количеству микровпадин с плавными краями и, следовательно, высокой износостойкости сопряжения.
Таблица 5
Параметры шероховатости образцов из стали 45 (твердость 162 HB) с различными типами тонкопленочных износостойких покрытий
Материал для модифицирования стали Среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, мкм Средний шаг неровностей профиля Sm, мкм
Неупрочненная сталь после шлифования 0,050/0,063 0,290/0,364 2,47/3,96
Неупрочненная сталь после триботех-нических испытаний 0,055/0,340 0,248/1,420 13,50/23,39
Серпентинит 0,179/0,419 0,811/1,980 1,07/12,42
Вермикулит 0,048/0,045 0,254/0,370 0,64/2,08
Композит (вермикулит + HCl + хитозан + MgCO3) 0,039/0,058 0,180/0,372 1,63/3,65
П р и м е ч а н и е. В числителе приведено значение параметра по направлению вращения образца, в знаменателе — перпендикулярно к направлению вращения образца.
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
Заключение
Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности применения композита на основе вермикулита для модифицирования поверхностей трения стальных деталей. Модифицирование конструкционной стали 45 композитом на основе вермикулита увеличивает твердость и уменьшает модуль упругости поверхностного слоя, существенно уменьшает параметры шероховатости и коэффициент трения и, как следствие, снижает энергетический уровень контактного взаимодействия трущихся поверхностей и износ трибосопря-жения. Все эти положительные изменения триботехнических характеристик сопряжения позволяют говорить о перспективности использования предложенной технологии для повышения долговечности трибосопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника».
Исследование выполнено при поддержке ДВФУ, проект № 14-08-03-8 и.
Литература
1. Погодаев Л. И. Влияние геомодификаторов трения на работоспособность трибосопряжений // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. № 1. С. 58-66.
2. Пат. 2487192 РФ. Способ получения антифрикционной композиции. Опубл. 2013.
3. Пат. 2484179 РФ. Способ получения антифрикционной композиции. Опубл. 2013.
4. Особенности формирования износостойкого ме-таллокерамического покрытия на поверхностях трения стальных деталей / Л. Б. Леонтьев, Н. П. Шапкин, А. Л. Леонтьев, В. Н. Макаров // Металлообработка. 2014. № 6 (84). С. 41-51.
5. Sinha Ray S., Bousmina M. Biodegrable polymers and their layered silicate nanocomposites / / Progress Mater. Sci. 2005. Vol. 50. P. 962.
6. Органомодифицированные алюмосиликаты как геомодификаторы трения / Н. П. Шапкин, Л. Б. Леонтьев, А. Л. Леонтьев [и др.] // Журн. прикладной химии. 2012. Т. 85, № 10. С. 1570.
7. Шапкин Н. П., Майоров В. И., Леонтьев Л. Б. Исследование адсорбционных свойств модифицированного слоистого силиката // Коллоидный журн. 2014. Т. 76, № 6. С. 798-804.
8. Мышкин Н. К., Петроковец М. И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. М.: Физматлиш, 2007. 368 с.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ
И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
под редакцией В. В. Кузнецова
ISBN 978-5-7325-1048-5 Объем 378 с. Цена 520 руб.
Монография посвящена проблемам анализа, синтеза и моделирования сложных систем различной природы. Содержание материала соответствует разделу паспорта научной специальности 05.13.01 «Системный анализ управления и обработка информации». Материалы монографии сгруппированы так, что они удовлетворяют требованиям ученых при выполнении фундаментальных и прикладных исследований.
Монография рассчитана для использования учеными, специалистами-практиками, аспирантами при выполнении исследований и анализе больших, территориально распределенных технических систем, а также сложных проектов.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.
