Вплив покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вплив покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення надійності, довговічності та конкурентноздатності машин і обладнання є одним з важливіших завдань машинобудування. Статистика свідчить, що близько 80% несправностей в роботі машин трапляється через знос і руйнування поверхні тертя деталей машин.

У сучасному машинобудуванні збільшення питомих навантажень і швидкостей руху ускладнюють умови експлуатації деталей і вузлів машин, що призводить до підвищення інтенсивності зносу контактуючих поверхонь. У зв'язку з цим пошук шляхів підвищення зносостійкості та довговічності деталей машин має велике практичне значення.

Широкого застосування в машинобудуванні набули підшипники кочення. Їх зносостійкість і довговічність в багатьох випадках визначає працездатність і довговічність машин та обладнання в цілому. Є різні способи підвищення довговічності підшипників кочення: конструктивні, технологічні, експлуатаційні. В літературі описано велику кількість досліджень з цих питань. Проте проблема підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення цілком не вирішена і є актуальною.

Одним з ефективних шляхів підвищення зносостійкості поверхонь тертя є нанесення зміцнюючих покриттів. Питання впливу конструкції, фізико-механічних характеристик, структури та фазового складу покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення вивчені недостатньо, не розкрито механізм їх руйнування та не розроблено заходів щодо підвищення цих експлуатаційних параметрів. Зазначеним питанням і присвячено цю роботу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано відповідно до держбюджетних тем 1Б-97 «Технологія поверхневого зміцнення металів та металевих сплавів з застосуванням керованої плазмової дифузії в газовому антикрихкісному середовищі» (Др. №0193U018434) та 1Б-2000 «Теорія та фізичні основи технології модифікації поверхні формуванням комбінованих поліфазних плазмово-дифузійних шарів» (Др. №0100U001977) за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки на період до 2006 року «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і сільському господарстві», визначеним в Законі України від 11.07.2001 р. №2623-ІІІ.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є вивчення впливу конструкції, фізико-механічних властивостей і фазового складу покриттів та твердості основи на зносостійкість і довговічність підшипників кочення, а також розробка рекомендацій щодо підвищення їх зносостійкості і довговічності. У роботі вирішувались такі завдання:

теоретичне дослідження напружено-деформованого стану пластини з багатошаровим покриттям при контактному навантаженні (крайова задача) методом графів;

дослідження кінематики руху і проковзування кульок в упорних підшипниках кочення;

порівняльні експериментальні дослідження впливу конструкції, фізико-механічних характеристик та фазового складу покриттів і твердості основи на зносостійкість та довговічність зразків при терті ковзання і кочення;

металографічні, рентгеноструктурні та фрактографічні дослідження поверхні кочення до і після випробувань, вивчення механізму зношування та руйнування матеріалів з різними покриттями на поверхні при терті кочення;

розробка рекомендацій і технології зміцнення поверхні для підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення;

промислова перевірка ефективності розроблених рекомендацій і технології зміцнення поверхні підшипників кочення.

Об'єктом дослідження є упорні підшипники кочення з покриттями різної конструкції та різними фізико-механічними властивостями.

Предмет досліджень - вплив властивостей покриттів і основи на зносостійкість і довговічність підшипників кочення в мастилі.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження напружено-деформованого стану моделі пластини з багатошаровими покриттями та кінематики руху кульок в упорних підшипниках кочення. Металографічні та рентгеноструктурні дослідження властивостей покриттів. Експериментальні дослідження впливу властивостей покриттів і основи на зносостійкість та довговічність підшипників кочення в лабораторних та промислових умовах. Математичне планування та статистичні методи обробки експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведено комплексні теоретико-експериментальні дослідження впливу конструкції і властивостей покриттів на напружено-деформований стан та на процес зношування при терті кочення з проковзуванням, на основі яких розроблено рекомендації і нову технологію зміцнення поверхні для підвищення довговічності підшипників кочення.

Дослідженнями встановлено, що:

величиною напружень в контактній зоні при терті можна керувати за ра-хунок зміни конструкції і фізико-механічних характеристик покриттів;

в упорних підшипниках кочення має місце значне проковзування кульок відносно кілець, величина якого залежить від величини навантаження, геометричних характеристик елементів підшипника та пружних властивостей покриття. Одержано формули для визначення швидкості та коефіцієнта проковзування кульок;

зносостійкість і довговічність підшипників кочення збільшується при збільшенні товщини та твердості (до певного оптимального значення) покриття, зменшенні градієнта твердості по товщині покриття, збільшенні твердості основи, наявності в покритті залишкових напружень стиску та легуючих елементів. Найбільше відповідають цим вимогам дифузійні покриття;

основним видом зношування, що визначає довговічність підшипників кочення в мастилі, є втомне зношування поверхні, яке характеризується трьома стадіями розвитку: перша - пристосування, друга - накопичення дефектів, третя - руйнування. Покриття на поверхні кочення не змінюють механізму її зношування, а лише впливають на протяжність стадій цього процесу.

Практична цінність одержаних результатів. Розроблено рекомендації з вибору конструкції та фізико-механічних характеристик покриттів, що наносяться на поверхню елементів підшипників кочення з метою підвищення їх зносостійкості та довговічності. Обґрунтовано перспективність застосування для цих цілей зміцнюючих дифузійних покриттів, що одержуються методом іонного азотування в плазмі тліючого розряду, при їх нанесенні на основу високої твердості. Розроблено нову технологію нітрогартування з застосуванням іонного оксіазотування, що забезпечила підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення зі сталі ШХ15 в мастилі в 1,8 рази порівняно з традиційною технологією їх виготовлення.

Одержано формули для визначення швидкості та коефіцієнта проковзування кульок в упорних підшипниках кочення.

Одержано математичні залежності фізико-механічних характеристик (твердості поверхні і товщини) покриття для сталей ШХ15, 45 і 20Х13 від технологічних параметрів іонного азотування.

Результати досліджень можуть використовуватися при проектуванні машин і обладнання з опорами кочення та в навчальному процесі.

Результати роботи впроваджено:

на НВП «Віднова» і ВАТ «Термопластавтомат» при проектуванні та виготовленні екструдерів К24-127 для переробки фуражного зерна (акт впровадження);

в Хмельницькому державному університеті при вивченні спецкурсу «Прогресивні методи зміцнення поверхні» на кафедрі «Машинознавства» для студентів механічних спеціальностей» (акт впровадження).

Особистий внесок здобувача

Основні наукові результати дисертаційної роботи належать особисто здобувачу. Постановка завдання та обговорення отриманих результатів виконано спільно з науковим керівником.

Автору належать основні ідеї в розробці методики експериментальних досліджень, результати теоретичних досліджень напружено-деформованого стану пластини з багатошаровим покриттям та кінематики руху кульки в упорних підшипниках. Автором проведено експериментальні дослідження, узагальнено та сформульовано основні висновки з теми роботи.

В роботах, виконаних із співавторами, особистий внесок здобувача полягає у виконанні теоретичних та експериментальних досліджень, обробці результатів досліджень, обґрунтуванні отриманих результатів і формуванні висновків.

Апробація результатів дисертації. ІІІ-тя міжнародна конференція «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах», Хмельницький, 1995 р.; міжнародна наукова конференція «Зносостійкість, надійність вузлів тертя машин» (ЗНМ-2000), Хмельницький, 2000 р.; VII науково-технічна конференція «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», Кацивелли, Крым, 2000 г.; 5-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 2001 р.; міжнародна науково-технічна конференція «Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин» (ЗНМ-2003), Очаків, 2003 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 15 роботах, з яких 8 у фахових журналах і 1 патент.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та рекомендацій, списку використаних джерел і додатку. Основна частина роботи викладена на 166 сторінках машинописного тексту, містить 54 рисунки, 30 таблиць, список використаних джерел з 144 найменувань та додатку. Повний обсяг дисертації становить 183 сторінки.

Основний зміст дисертації

підшипник зносостійкість кочення

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, викладено мету і завдання досліджень, показано наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, дано загальну характеристику дисертації.

У першому розділі дано загальний аналіз наявних досліджень із зазначеної тематики. Розглянуто особливості конструкції, умови роботи та розрахунку підшипників кочення, а також фактори, від яких залежить зносостійкість і довговічність підшипників кочення. Зроблено аналіз характеристик пошкоджень та видів зношування підшипників кочення в різних умовах експлуатації. В розділі описується вплив контактних напружень в зоні контакту та структурно-кінетичні закономірності мікропластичної деформації та зношування поверхневих шарів підшипників кочення без покриттів, розглянуто існуючі способи підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення. На основі проведеного аналізу зроблено висновок про те, що недостатньо вивчено вплив покриттів, зокрема їх фізико-механічних характеристик та конструкції і твердості основи, на яку наноситься покриття, на напружено-деформований стан, зносостійкість і довговічність композиції «покриття-основа» при терті кочення з проковзуванням, що має місце в підшипниках кочення. В зв'язку з цим і вибрано напрям подальших досліджень.

У другому розділі виконано теоретичні дослідження напружено-деформованого стану (НДС) пластини з багатошаровим покриттям при її контактному навантаженні [1, 2], а також дослідження кінематики руху кульки в упорному підшипнику кочення в процесі обертання рухомого кільця [5]. Дослідження НДС проводилися на моделі пластини з багатошаровим покриттями (рис. 1). Досліджуваною моделлю була пластина безконечної довжини і великої товщини, на поверхню якої було нанесено різні варіанти покриттів (табл. 1) з різними фізико-механічними характеристиками (товщиною, модулем пружності, градієнта властивостей по глибині), різною конструкцією: покриття з поступовою зміною властивостей по глибині (варіанти 1-8), що моделювали дифузійні покриття; одношарові покриття різної товщини з різкою зміною властивостей на границі з основою, що моделювали покриття одержані методом осадження; покриття з нанесенням тонких низькомодульних шарів на поверхню і на певну глибину від поверхні високомодульного покриття (варіанти 4 і 5 табл. 1).

Таблиця 1/ Варіанти моделей покриттів з різними фізико-механічними характеристиками

Розглядалась крайова задача, плоский НДС в пружній частині пластини з покриттям в обмеженій ділянці довжиною L = 10 мм і висотою Н = 5 мм при дії розподілених нормального і дотичного навантажень на контактній ділянці 2b = 0,4 мм. Дослідження проводились числовим методом з використанням графової моделі напруженого тіла і пакету програм «Термопружність», що розроблений Інститутом проблем міцності НАН України.

Розрахунки велись для випадку, коли нормальне q і дотичне F навантаження розподілялися за такими законами: q = б?(1-25?х²) і F = м?q, де х змінювався в межах від - 0,2 до + 0,2; м - безрозмірний коефіцієнт (м < 1); б - коефіцієнт навантаження дорівнював 10³ МН/м.

Модуль пружності основи Е_о = 2?10⁵ МПа. Параметри покриття і коефіцієнт м змінювалися в таких межах: товщина покриття h_п - від 5 до 300 мкм; модуль пружності шарів покриття Е_п - (від 2 до 4) ?10⁵ МПа; К_е = Е_п / Е_о від 1 до 2; м - від 0 до 0,5.

Рішення задачі одержано як в абсолютних значеннях напружень (у_х, у_у, ф_ху, у_е) і деформацій (е_х, е_у, е_ху, е_е), так і в відносних одиницях, що визначалися коефіцієнтом К_у.

К_у = у_еп / у_ео, (1)

де у_еп і у_ео - ефективні напруження в досліджуваній точці при наявності і відсутності покриття відповідно.

Розрахунки НДС пластини з різними варіантами конструкції і фізико-механічних характеристик покриттів проведені на ЕОМ і зведені в таблиці та графіки. Деякі з цих графіків наведені на рис. 2 - 4.

Розрахунки показали, що при дії нормального навантаження максимальні ефективні напруження виникають на поверхні пластини в середині площадки контакту і зменшуються при віддалені від середини на периферію площадки та в глибину від поверхні контакту. Їх величина залежить від товщини покриття h_п, коефіцієнта дотичного навантаження м, модуля пружності покриття Е_п та його співвідношення К_е з модулем пружності основи і зростає зі збільшенням цих параметрів. Збільшення коефіцієнта м викликає зміщення максимуму ефективних напружень від центру контактної площадки в сторону дії дотичного навантаження. Величина відхилення зростає зі збільшенням м (рис. 2).

Складові ефективних напружень (у_х, у_у, ф_ху) по різному залежать від параметрів покриття. Напруження у_у практично не залежать від h_п, К_е і градієнта зміни властивостей покриття по глибині. Зміна м від 0 до 0,4 викликає незначне збільшення величини у_у на поверхні - до 0,5%. Максимальне значення у_у виникає на поверхні в центрі площадки контакту. Величина у_у поступово зменшується по глибині покриття.

Характеристики покриття h_п, К_е, а також коефіцієнт м мають великий вплив на напруження у_х і ф_ху. Максимальне значення у_х виникає на поверхні площадки контакту, збільшується із збільшенням h_п, К_е і м, різко зменшується по глибині покриття і є тим більшим, чим більшим є К_е, і меншим h_п. Найменше значення у_хmах і градієнт його зменшення по глибині виникає в однорідному матеріалі без покриття. Збільшення м викликає зміщення максимуму у_х від центру площадки контакту в сторону дії дотичного навантаження. При м ? 0,1 величина цього зміщення незначна, а при м = 0,4 вона досягає 0,35b (рис. 3).

Дослідження показали, що для різних конструкцій і характеристик покриттів дотичні напруження фху мають різні значення. Для різних варіантів покриттів (табл. 1) зміна величини фху не перевищувала 10% порівняно з їх значенням для однорідного матеріалу (варіант 0). Найбільший вплив на величину фху має коефіцієнт м. При значеннях м < 0,5 максимальні дотичні напруження фхуmax виникають на певній глибині і зміщені по осі Х від центру площадки контакту. Так при м = 0 фхуmax виникають на глибині 0,5b з симетричним розміщенні відносно осі Y на віддалі 0,5b від неї. Зі збільшенням м напруження фхуmax збільшуються за абсолютною величиною, а координати точки їх виникнення наближаються до поверхні та до центру площадки контакту і при м = 0,5 знаходяться на поверхні в центрі площадки контакту (рис. 4).

Вплив характеристик покриття на НДС композиції «покриття-основа» зручно оцінювати за допомогою коефіцієнта К_у (1), що дозволяє порівнювати ефективні напруження в досліджуваній точці з їх значенням в матеріалі без покриття при дії ідентичного навантаження. Дослідження показали, що К_у зменшується по глибині пластини з покриттям і на певній віддалі від поверхні набуває значення, менше одиниці, що свідчить про зменшення ефективних напружень в цій точці порівняно з однорідним матеріалом, тобто при цьому відбувається розвантаження основи. Для випадку, коли К_е = 2 розвантаження основи досягається при товщині покриття 20 мкм, величина розвантаження збільшується зі збільшенням h_п і К_е та зменшенням градієнта зміни властивостей покриття по глибині.

Наявність на поверхні композиції «покриття-основа» тонкого шару низькомодульного покриття (варіант 4 табл. 1) викликає значне зменшення величини К_у на поверхні контакту при різних значеннях м. Розміщення низькомодульного шару на певній глибині від поверхні зміцнюючого покриття (варіант 5 табл. 1) викликає підвищення К_у на поверхні при різних значеннях м, що приводить до зменшення несучої здатності та довговічності покриття.

Таким чином, проведені дослідження показали, що нанесення зміцнюючих покриттів спричиняє значний перерозподіл напружень по глибині композиції «покриття-основа», викликаючи підвищення напружень в покритті та їх зменшення в основі. Величина і характер цього перерозподілу залежить від конструкції покриття, механічних характеристик складових композицій і типу навантаження. Наявність дотичних навантажень (сил тертя) викликає значне підвищення напружень у_х, ф_ху, на поверхні конструкційних елементів в зоні контакту. При оптимальному співвідношенні фізико-механічних характеристик основи і покриття відкривається можливість підвищення несучої здатності і довговічності конструктивних елементів при контактному навантаженні. Шляхом до цього є:

нанесення дифузійних зміцнюючих покриттів з високим модулем пружності;

зменшення градієнта властивостей по глибині покриття за рахунок збільшення товщини покриття і підвищення модуля пружності та твердості основи;

нанесення на поверхню покриття тонких низькомодульних шарів;

нанесення покриття товщиною більшою глибини виникнення максимальних дотичних напружень ф_ху^max.

Нами проведено дослідження кінематики руху кульки в упорному підшипнику [5]. Дослідженнями встановлено, що максимальна швидкість проковзування пропорційна коловій швидкості кільця в точці контакту з кулькою на осі жолоба та максимальному значенню коефіцієнта проковзування, який знаходиться за формулою:

, (2)

де: ;

де: n - коефіцієнт, що залежить від відношення А/В малої і великої осей еліпсу плями контакту;

N - нормальне навантаження на кульку;

Е_п - приведений модуль пружності;

R₁, R₂, R₃ - радіуси кульки, канавки поперечного перетину жолоба та осі жолоба відповідно.

Дослідження показали, що коефіцієнт проковзування збільшується при збільшенні навантаження на кульку і зменшенні радіусів кульки та осі направляючого жолоба. Для зменшення зносу від проковзування кульок необхідно зменшувати коефіцієнт їх проковзування, що досягається за рахунок підвищення модуля пружності матеріалу кульок і кілець та збільшення радіусів R₁ і R₃.

Третій розділ присвячується методиці експериментальних досліджень. У розділі описано конструкцію установок для випробувань на зношування при терті кочення і ковзання, методику випробувань та пристрої для вимірювання зносу, обладнання та методи нанесення покриттів, методику досліджень фізико-механічних характеристик, фазового складу та залишкових напружень зразків з покриттями та фізико-механічні характеристики зразків, що випробовувались на зносостійкість.

Випробування зразків на зносостійкість і довговічність проводилися на спеціальній установці [6], що монтувалася на базі вертикально-свердлувального верстата, в якому модулювалася робота упорних підшипників кочення та ковзання. При моделюванні упорних підшипників кочення вузол тертя включав: нерухоме кільце і сепаратор з кульками стандартного упорного підшипника №8204, з яким контактували досліджувані зразки. Випробування проводилися в середовищі масла І-20, при частоті обертання зразка 750 хв^-1. В сепараторі знаходилось 12 кульок. Кульки виготовлялись із сталі ШХ15 і мали твердість HRC 61-62. Вертикальне навантаження на зразок змінювалось в межах від 500 до 3600 Н, що відповідно складало навантаження на кульку від 41,7 до 300 Н та максимальні контактні напруження від 2075 до 4008 МПа. Дослідження на довговічність продовжувались до появи викрихчення на поверхні контакту. В процесі досліджень вимірювались величини зносу та мікротвердості на доріжці кочення. Мікротвердість поверхні на доріжці кочення вимірювалась за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3. Знос на доріжці кочення вимірювався за допомогою профілографа-профілометра моделі 201 для зразків з твердістю основи HRC > 45 та за допомогою спеціального пристрою з точністю ± 0,5 мкм.

Дослідження на тертя ковзання проводились при швидкості ковзання 1,24 м/с при питомому навантажені, що змінювалось від 2 до 30 МПа. В якості контртіла використовувалося загартована сталь 45 з твердістю HRC 45.

Лабораторні дослідження фізико-механічних характеристик, структури і фазового складу покриттів проводились з застосуванням методів металографії і рентген-структурного аналізу за допомогою мікроскопів МІМ-10, ПМТ-3, РМ-10РМ і установки «Дрон-3М». Залишкові напруження визначалися методом Давиденкова з використанням установки «ПІОН».

Для одержання покриттів різної конструкції, різних фізико-механічних характеристик та фазового складу застосовувались різні технології їх нанесення, а саме: іонного азотування в плазмі тліючого розряду, осадження нітриду титану в вакуумі методом катодно-іонного бомбардування (КІБ) та осадження хрому гальванічним методом. Як основу, на яку наносились покриття, було використано конструкційні сталі ШХ15, 45 та 20Х13, твердість яких змінювалася методом термообробки в межах від 26 до 62 HRC.

Властивості дифузійних покриттів, що одержувались методом іонного азотування, змінювались в широких межах, а саме: товщина - від 20 до 400 мкм; мікротвердість поверхні - від 5000 до 10000 МПа; залишкові напруження стиску - від 100 до 600 МПа; змінний фазовий склад та градієнт твердості по глибині. Покриття з хрому мали товщину 5 та 10 мкм і мікротвердість 7000 МПа. Покриття з TiN мали товщину 5 мкм та мікротвердість 16000 МПа.

Для зменшення кількості експериментів та одержання математичних залежностей досліджуваних характеристик від технологічних параметрів нанесення покриттів було застосовано метод планування експериментів, зокрема план другого порядку Хартлі. Математичні залежності досліджуваних характеристик одержували в вигляді повного квадратного поліному:

, (3)

де: ц(х) - функція відклику (вхідна зміна); в₀, в_i, в_ii, в_ij - коефіцієнти рівняння регресії; x_i, x_j - незалежні змінні величини (фактори).

Для іонного азотування такими незалежними змінними величинами є температура, тиск, час дифузійного насичення та склад насичуючого середовища. При чотирьох факторному експерименті рівняння (3) має вигляд:

ц(х) = в₀ + в₁х₁ + в₂х₂ + в₃х₃ + в₄х₄ + в₁₁х₁² + в₂₂х₂² + в₃₃х₃² + в₄₄х₄² +

+ в₁₃х₁х₃ + в₁₄х₁х₄ + в₂₃х₂х₃ + в₂₄х₂х₄ + в₃₄х₃х₄ (4)

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень властивостей покриттів, що нанесені на досліджувані сталі за різними технологіями (іонного азотування, іонного оксіазотування, нітрогартування); описується вплив технологічних параметрів цих технологій на фізико-механічні характеристики, фазовий склад, залишкові напруження та градієнт твердості по глибині покриттів; наведено результати випробувань на зносостійкість і довговічність при терті кочення та ковзання зразків з різними за властивостями та конструкцією покриттями, що наносилися на основу різної твердості; запропоновано рекомендації з властивостей покриттів, що забезпечать підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення.

Дослідження процесу нанесення дифузійних покриттів в плазмі тліючого розряду показали, що за допомогою зміни технологічних параметрів процесу можна змінювати властивості покриттів в широких межах. Наприклад, іонним азотуванням на сталі ШХ15 одержано покриття товщиною від 10 до 400 мкм, твердістю від 5000 до 10000 МПа, з залишковими напруженнями стиску від 100 до 600 МПа та з різним фазовим складом. Одержано математичні залежності, у вигляді рівнянь (4) що описують вплив технологічних параметрів іонного азотування на фізико-механічні характеристики та зносостійкість покриттів. На основі одержаних рівнянь регресії знайдено оптимальні значення технологічних параметрів (температури, тиску, складу насичуючого середовища та часу дифузійного насичення) іонного азотування та властивостей покриттів, що забезпечують мінімальну інтенсивність зношування, на основі яких вибрано технологічні режими нанесення покриттів (табл. 2) для подальших порівняльних досліджень покриттів, одержаних за різними технологіями.

Кінетика процесу зношування і зміни мікротвердості на доріжці кочення досліджувались на сталях 20Х13, 45 і ШХ15 з різними покриттями і твердістю основи. Дослідження показали, що в початковий період відбувається інтенсивна пластична деформація поверхні контакту, яка з часом зменшується і досягає мінімального значення через певну кількість циклів навантаження. В залежності від фізико-механічних характеристик покриття і основи та величини навантаження величина пластичної деформації змінюється. Нанесення зміцнюючих покриттів, зокрема дифузійних, значно зменшує пластичну деформацію (рис. 5).

Таблиця 2/ Режими іонного азотування сталей при порівняльних випробуваннях на тертя кочення зразків з різними покриттями

У загартованих зразках з дифузійними покриттями величина пластичної деформації в початковий період є на порядок меншою і мінімізується значно швидше порівняно з не гартованими (рис. 6).

Дослідженнями встановлено, що величина зносу в мастилі від проковзування кульок в підшипнику є незначною і не перевищує 15-30% від загального зносу до початку викрихчення. Основним видом зношування поверхні кочення є втомне зношування, що характеризується трьома стадіями: перша - пристосування, яка має протяжність від пластичної деформації до її вичерпання і досягнення максимальної мікротвердості поверхні; друга - накопичення дефектів в поверхневому шарі та виникнення мікротріщин; третя - руйнування (швидкий ріст мікротріщин, викрихчення матеріалу, значне зниження мікротвердості в зоні викрихчення). Покриття не змінюють механізм зношування поверхні кочення, а лише впливають на протяжність його стадій.

У таблиці 3 наведено результати порівняльних випробувань на зносостійкість і довговічність при терті кочення з проковзуванням різних зразків із сталей з різними покриттями і різною твердістю основи. З таблиці видно, що довговічність зразків збільшується при збільшенні товщини покриття. Найбільший вплив на довговічність і зносостійкість зразків має твердість основи і градієнт зміни твердості по глибині композиції «покриття-основа». Всі зразки з покриттями, що наносилися на загартовану основу, мали зносостійкість і довговічність майже на порядок вищу порівняно з такими ж покриттями, нанесеними на основу з малою твердістю. Зменшення градієнта твердості по глибині азотованих зразків із сталі ШХ15 в 2 рази за рахунок збільшення твердості основи гартуванням збільшило їх довговічність в 5 разів.

Дослідження показали, що зносостійкість і довговічність зразків збільшується з підвищенням твердості покриттів тільки до певних значень, при яких досягається оптимальне співвідношення між твердістю і пластичністю. Таке співвідношення визначається структурою і фазовим складом покриттів. При твердості покриття, більшій від оптимального значення, підвищується його крихкість і відбувається більш швидке руйнування. Для азотованих покриттів оптимальною є твердість поверхні 7600-7800 МПа без крихкої -фази.

При нанесенні покриттів на гартовану основу при температурах високого відпуску сталей відбувається зниження твердості основи, що приводить до зменшення ефекту від нанесення покриття і навіть до негативного результату. Так при нанесенні покриття з TiN методом КІБ на гартовану сталь ШХ15 відбулося зниження твердості основи з 7210 МПа до 5200 МПа, що в кінцевому результаті не дало підвищення довговічності зразків, а навпаки, знизило її на 12%. Не одержано позитивного ефекту з підвищення довговічності при нанесенні TiN на сталь ШХ15 без термообробки. Проте, нанесення хрому гальванічним методом на гартовану основу із сталі ШХ15 зі збереженням твердості основи дозволило підняти довговічність на 25% (табл. 3).

Експериментами встановлено, що нанесення оксидних плівок з меншою твердістю на азотований шар приводить до підвищення довговічності і зносостійкості покриттів. Це пояснюється зменшенням контактних напружень в поверхневому шарі [1].

Найбільшу довговічність і зносостійкість показали зразки, що зміцнювались за технологією нітрогартування. При такій технології досягається висока твердість поверхні та основи, відсутність крихкої -фази на поверхні і велика товщина дифузійного шару та низький градієнт твердості по глибині зразків. Зносостійкість і довговічність зразків із сталі ШХ15, зміцнених за цією технологією, майже в 2 рази вищі порівняно з гартованими зразками.

На основі проведених досліджень зроблено висновок, що для підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення в мастилі рекомендується нанесення дифузійних покриттів з оптимальною твердістю поверхні, з максимальною товщиною і мінімальним градієнтом твердості по глибині на основу максимальної твердості. Ці рекомендації забезпечує розроблена технологія нітрогартування, яка включає іонне оксіазотування за оптимальним режимом, подальше гартування з нагрівом в соляних ваннах та оптимальним часом витримки при температурі гартування і низькотемпературний відпуск протягом 2 годин.

У п'ятому розділі наведено результати промислових випробувань упорних підшипників кочення №8320 ГОСТ 6874-75, що зміцнювалися нанесенням дифузійних покриттів за технологією нітрогартування. Ці підшипники було встановлено в екструдерах К-24-127 і показали підвищення довговічності в 2,3 рази порівняно з аналогічними підшипниками без зміцнення.

Висновки

Проведені дослідження показали, що покриття мають значний вплив на процес зношування підшипників кочення. Зносостійкість і довговічність підшипників кочення залежать від конструкції, фізико-механічних характеристик, залишкових напружень, хімічного та фазового складу покриттів і при оптимальних значеннях цих показників для певних умов експлуатації досягають максимального значення. Дослідженнями встановлено:

1. Нанесення зміцнюючих покриттів викликає перерозподіл контактних напружень між покриттям та основою, збільшуючи їх величини в покритті та зменшуючи в основі тим більше, чим більшими є товщина покриття та відношення модуля пружності покриття до модуля пружності основи;

2. Наявність дотичних навантажень в зоні контакту викликає збільшення дотичних напружень як на поверхні так і в глибині композиції «покриття-основа». Із збільшенням дотичних навантажень максимум дотичних напружень, що знаходяться на певній глибині, переміщується до поверхні та при значенні відношення дотичних навантажень до нормальних 0,5 - виходить на поверхню;

3. Зменшення еквівалентних контактних напружень в покритті досягається збільшенням товщини покриття та зменшенням градієнта властивостей по товщині. Нанесення на покриття тонких плівок меншого модуля пружності, ніж у покритті, приводить до зменшення еквівалентних напружень в покритті та підвищення довговічності конструкції при багатоцикловому навантаженні в процесі кочення;

4. В упорних підшипниках кочення відбувається проковзування кульок відносно кілець, величина якого прямо пропорційна коефіцієнту проковзування, коловій швидкості рухомого кільця в точці контакту з кулькою та часу руху підшипника. Максимальне значення коефіцієнта проковзування збільшується зі збільшенням навантаження на кульку та зменшенням радіусу кульки і спрямовуючого жолоба;

5. Фізико-механічні характеристики, фазовий склад і залишкові напруження стиску дифузійних покриттів, що наносяться методом іонного азотування та іонного оксіазотування, можна змінювати в широких межах за допомогою технологічних параметрів дифузійного насичення. Одержано математичні залежності товщини і мікротвердості азотованих шарів та інтенсивності їх зношування в мастилі І-20 при терті кочення і ковзання від технологічних параметрів дифузійного насичення при іонному азотуванні сталі ШХ15. Визначено оптимальні значення технологічних параметрів, що забезпечують найменшу інтенсивність зношування сталі ШХ15;

6. Фізико-механічні характеристики і фазовий склад покриттів мають великий вплив на інтенсивність зношування при терті ковзання, особливо в період припрацювання. Для дифузійних покриттів, одержаних методом іонного азотування, вона може відрізнятися в цей період на порядок залежно від властивостей покриття;

7. Основним видом зношування підшипників кочення в середовищі мастила є втомне зношування. Покриття на поверхні кочення не змінюють механізму її зношування, а лише впливають на протяжність стадій цього процесу;

8. Зносостійкість і довговічність підшипників кочення збільшується зі збільшенням товщини покриття та твердості його поверхні до певного оптимального значення, зменшенням градієнта твердості по товщині та збільшенням твердості основи;

9. Порівняльні дослідження зносостійкості зразків з різними покриттями при терті кочення з проковзуванням показали, що найменшу інтенсивність зношування і найбільшу довговічність мали зразки з дифузійними покриттями, одержані методом нітрогартування за оптимальним режимом. Інтенсивність зношування цих зразків із сталі ШХ15 є в 2,2 меншою, а довговічність майже в 2 рази більшою порівняно з гартованими зразками;

10. Для збільшення довговічності підшипників кочення рекомендується нанесення дифузійних покриттів максимальної товщини з оптимальною мікротвердістю поверхні (7600-7800 МПа для нітридних покриттів) і мінімальним градієнтом твердості по глибині на основу максимальної твердості. Такою технологією, що забезпечує зазначені рекомендації, є запропонована технологія нітрогартування.

Список опублікованих праць здобувачем за темою дисертації

1. Каплун П.В. Дослідження напружено-деформованого стану пластини з покриттями при контактному навантаженні // » Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах», - 1999, - №4. - С. 179-182.

2. Каплун П.В. Влияние характеристик покрытий на величину и характер распределения касательных напряжений при контактном нагружении // Зб. наук. праць. За результатами VIІ наук.-техн. конф. «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах». - Хмельницький, - 2000, - С. 246-251.

3. Каплун П.В., Люховець В.В., Глущак Г.С. Дослідження трибологічних характеристик та довговічності конструктивних елементів з дифузійними і комбінованими покриттями. // Вісник Технологічного університету Поділля: ТУП, - Хмельницький, - 2000. - Ч. 1. - №5. - С. 85-87.

4. Каплун П.В. Донченко О.А. Вплив технології азотування на механіку руйнування, міцність і довговічність конструкційних елементів // Вісник Технологічного університету Поділля: ТУП, - Хмельницький, - 2000. - Ч. 2. - №3. - С. 33-35.

5. Каплун П.В., Кіницький Я.Т., Кузьменко А.Г. Швидкість проковзування кульок в упорних підшипниках кочення // Вісник Технологічного університету Поділля: ТУП, - Хмельницький, - 2001. - №1. - С. 110-115.

6. Каплун П.В. Кинетика износа сталей с диффузионными покрытиями при контактном циклическом нагружении // «Проблемы трибологии», - Хмельницкий, - 2001, - №1. С. 199-204.

7. Каплун П.В., Паршенко А.В. Дослідження спрацювання і довговічності підшипників кочення і зміцнювальними покриттями. // Машинознавство. - Львів. - 2001. - №6. - С. 50-52.

8. Каплун П.В., Паршенко А.В., Кухар В.І. Вплив покриттів на процеси зношування при циклічному контактному навантаженні // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький: ТУП - 2001, - Ч. 1. - №3. - С. 12-16.

9. Каплун П.В. Вплив покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - Хмельницький. - 2003. - №4. - С. 131-140.

10. Патент UA 33099A B29C47/00. Вузол екструдування та спосіб підвищення його довговічності / В.Г. Каплун, П.В. Каплун, М.О. Мазур, В.С. Павлов/. -28116001. Заявл. 12.11.1998. Опубл. 15.02.2001. Бюл. №1.

Размещено на Allbest.ru