Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые технологии упрочнения поверхностей на нано(микро)-размерном уровне

Д.Г. Громаковский. Самарский государственный технический университет

Аннотация

Рассмотрены новые авторские технологии упрочнения поверхностей на нано-(микро-)размерном уровне: способы пассивации поверхностных дефектов, образования фторсодержащих плёнок и мультисмазки.

Ключевые слова: технология, поверхность, изнашивание, трение, смазка, упрочнение, микродефекты.

Abstract

New author's technologies of hardening of surfaces at the nano(micro)-dimensional level are considered: ways of passivation of superficial defects, formations of fluorinated films and multigreasing.

Keywords: technology, surface, wear, friction, greasing, hardening, microdefects.

дефект пассивация мультисмазка плёнка

При упрочнении поверхностей деталей узлов трения широко используются эффекты, создаваемые на нано(микро)-размерном уровне, порядка 10^-6...10^-8 мм, когда реализуются явления самоорганизации, эволюции их структурного состояния и др.

Например, в способе диффузионного молекулярного армирования поверхностей деталей машин по патенту РФ № 2198954, разработанном в СамГТУ, реализуется диффузионное внедрение наночастиц или активных органических молекул вглубь материала по выходам на поверхность дефектов кристаллической решётки металлов. В результате на поверхности образуется модифицированный (пассивированный) слой, «прошитый» прочными цепочками химически связанных атомов, выполняющих роль «арматуры» в металлической решётке, что иллюстрирует рис. 1.

Рис.1. Схема пассивации поверхностных дефектов.

Диффундирующие наночастицы одновременно производят два действия: во-первых, закрепляют дефекты, не давая атомам металла смещаться относительно друг друга под действием напряжений и генерировать новые дефекты, и, во-вторых, препятствуют взаимодействию, выходящих на поверхность дислокаций, с активными частицами окружающей среды, что и обуславливает ресурсоповышающий эффект и коррозионную стойкость.

При молекулярном армировании после мойки и слабого травления детали погружают в технологическую термоактивируемую (порядка 80-90С) органическую жидкость - масло индустриальное, с внесенными частицами фторированного графита (CF_x)_n и подвергают вибрации с частотой f?120Гц. Нагрев и вибрация вызывают разрушение органических молекул и образование активных реакционных окончаний, которые вместе с частицами (CF_x)_n взаимодействуют с активными центрами на поверхностях (рис. 2). Об эффективности нового способа свидетельствуют результаты испытаний, приведённые в табл. 1.

Таблица 1. Результаты испытания поверхностей армированных деталей из стали 40Х

Наибольший эффект фторирования поверхностей и др. получен при создании нано(микро)-размерных плёнок фторидов железа FeF₃ при введении в смазочное масло порошка фторированного графита, например, на этапе приработки. При образовании таких плёнок интенсивность износа уменьшается на 25...30%, число циклов до наступления выкрашивания в подшипниках возрастает в 1,5 - 2 раза; нагрузочная способность смазочного слоя повышается на 35 ч 40%; нагрузка заедания увеличивается не менее чем в 2 раза; демпфирование вибрации усиливается в 1,5 ч 2 раза и др.

Иллюстрация поверхности после образования плёнок фторидов железа приведена на рис. 2.

Технология образования нано(микро)-размерных плёнок «металл-фтор» прошла испытания в лаборатории и при эксплуатации ряда машин: авиационных газотурбинных двигателей; двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тракторов; в газомоторных поршневых роторных компрессорах; приводах и шпинделях металлорежущих станков; в гидрожидкости АМГ-10 шасси самолётов; в масляных СОТС при нарезании зубчатых колёс, при протягивании и др.

а) б)

Рис. 2. Изменения поверхности трения при фторировании: а - исходная поверхность М 1 х 1000; б - на поверхности трения образована пленка фторидов железа FeF₃.

Наибольший интерес представляют следующие результаты.

1. Газотурбинный двигатель НК-16СТ наземного применения отработал 6 лет до капитального ремонта на газоперекачивающей станции «Карпинская» Тюменьтрансгаза, на масле М8 с фторсодержащей присадкой СамГТУ, вместо штатного масла МС-8П. Большинство узлов трения двигателя - подшипники, уплотнения и другие, износа практически не имели и были установлены на Казанском моторном заводе на следующий межремонтный срок. При использовании штатного масла в ходе капитального ремонта замена подшипников производится в 90% случаев.

2. Трехлетняя эксплуатация газомоторных компрессоров 10 ГКН на станции «Северная» Летрансгаза показала, что введение фторсодержащей присадки в штатное масло МС-20 увеличивает износостойкость цилиндровых пар и других деталей компрессоров не менее чем на 30%.

3. При введении карбонофторидов в пластичную смазку получено почти двукратное увеличение долговечности электрошпинделей.

На варианты смазочных материалов и фторсодержащей присадки получен ряд авторских свидетельств и патентов РФ 1011676, 1030401, 1498052, 2017802, 2027745 и др.

В 1994 г. фторсодержащая присадка награждена серебряной медалью на Брюссельской международной ярмарке.

По данным японской монографии «Новое в технологии соединений фтора» (под ред. И. Исикавы) фторированный графит используют в НАСА, как добавку к смазочным материалам.

Эффективность разработанных в СамГТУ фторсодержащих присадок по сравнению с аналогами ряда фирм иллюстрируют результаты их испытаний на машине трения МАСТ -1 по ГОСТ 23.221-84, рис.3.

Рис. 3. Сравнение эффективности фторсодержащих присадок, введённых в масло М-5/10Г2: 1 - моторное масло без фторсодержащей присадки. Далее в масло введены присадки: 2 - «LM» фирмы «Liqui Moly», 3 - «WM» фирмы «WYNN`S», 4 - «SLA-1» и 5 - «SLA-3» фирмы «Acheson», 6 - СамГТУ.

В настоящее время отрабатывается технология образования фторсодержащих плёнок на деталях пускового турбостартёра ТС-12М, используемого для запуска газотурбинных авиадвигателей. Его узлы трения смазываются реактивным топливом. В частности, отработаны технологии обкатки подшипников стартёра и зубчатых колёс планетарной передачи.

Нано(микро)-размерный уровень имеет также, разработанный в НТЦ «Надёжность» способ мультисмазки, Патент РФ 2334909.

Повышение нагрузочной способности смазочного слоя здесь получают путем введения промежуточного подслоя высоковязкой жидкости между металлической поверхностью и смазкой, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Структура промежуточного подслоя в роликовом подшипнике качения.

Способ эффективен, в подшипниках качения (рис. 4), кулачковых, зубчатых и других парах и особенно при ударном и вибрационном характере нагрузки, когда контактные усилия кратковременно возрастают, смазочный слой частично или полностью разрушается и происходит взаимодействие металлических поверхностей, ведущее к изнашиванию и контактной усталости.

В качестве материала подслоя подобрана кремнийорганическая жидкость олигометилсилоксана от ПМС-500 по ТУ6-02-737-78 до ПМС-60000.

Испытания подтвердили эффективность предложенного способа:

1. За время испытания подшипник практически не нагревался, температура оставалась на уровне комнатной (Т?+25⁰С).

2. Момент трения снижался на 17,6 %;

3. Уровень шума снижался на 2,5… 3,0 дБ;

4. Уровень вибрации снижался на 2…3 дБ;

5. Пятно износа, при испытаниях на 4-х шариковой машине трения, уменьшилось на 30% и более.

Дополнительно, испытания метода мультисмазки были проведены на подшипниковых узлах ряда металлорежущих станков, указанных в табл. 2.

Все испытанные подшипниковые узлы при введении мультисмазки отработали в цехах ОАО «СПЗ» не менее 1,5…2,0 ресурсов.

Таблица 2. Результаты испытания способа мультисмазки в шпиндельных подшипниках

При испытаниях мультисмазки (ПМС-60000, смазка Томфлон СК-250) в опорах скольжения шарошек буровых долот были превышены показатели наиболее эффективных антифрикционных смазок США, выпускаемых фирмой «Hughes Christensen, Smith и Varel» (табл. 3).

Таблица 3. Результаты стендовых испытаний в опорах буксовых долот

Как видно из приведённых материалов, концентрация внимания на нано-(микро-) размерных эффектах может иметь высокую продуктивность и требуют дальнейшего углубления исследования, наблюдаемых эффектов.

Размещено на Allbest.ru