EA032173B1

EA032173B1 - Способ изготовления детали узла трения скольжения

Info

Publication number: EA032173B1
Application number: EA201700048A
Authority: EA
Inventors: Марат Артемович Белоцерковский; Виктор Иванович Жорник; Александр Петрович Яловик; Алексей Валерьевич Сосновский; Владимир Аркадьевич Кукареко; Александр Витальевич Дудан
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2019-04-30
Also published as: EA201700048A1

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления деталей узлов трения скольжения с применением методов газотермического нанесения покрытий и, в частности, деталей узлов трения скольжения, эксплуатирующихся при повышенных удельных нагрузках. Предложен способ изготовления детали узла трения скольжения, включающий формирование на рабочей поверхности детали из черного металла покрытия путем нагрева до плавления в электрической дуге двух проволок из хромсодержащих сталей и их последующего распыления продуктами сгорания пропано-воздушной смеси, движущимися со сверхзвуковой скоростью, механическую обработку покрытия, нанесение на покрытие слоя смазки, содержащей ультрадисперсный порошок алмазно-графитовой смеси и приработку в узле трения, согласно изобретению в качестве материала одной из проволок используют высокохромистую сталь аустенитного класса с содержанием никеля не менее 10%, в качестве другой проволоки используют высокохромистую сталь мартенситного класса с содержанием углерода более 0,4%, причем ее диаметр в 1,12-1,20 раза больше диаметра проволоки аустенитного класса, в качестве смазочного материала выбирают пластичную смазку с числом пенетрации от 265 до 340, с содержанием алмазно-графитовой шихты 0,25-0,50 мас.%, имеющей размер частиц в пределах 10-50 нм, а приработку осуществляют при удельной нагрузке 40-50 МПа и скорости скольжения 0,20-0,30 м/с.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления деталей узлов трения скольжения с применением методов газотермического нанесения покрытий и, в частности, деталей узлов трения скольжения, эксплуатирующихся при повышенных удельных нагрузках. Предложен способ изготовления детали узла трения скольжения, включающий формирование на рабочей поверхности детали из черного металла покрытия путем нагрева до плавления в электрической дуге двух проволок из хромсодержащих сталей и их последующего распыления продуктами сгорания пропано-воздушной смеси, движущимися со сверхзвуковой скоростью, механическую обработку покрытия, нанесение на покрытие слоя смазки, содержащей ультрадисперсный порошок алмазнографитовой смеси и приработку в узле трения, согласно изобретению в качестве материала одной из проволок используют высокохромистую сталь аустенитного класса с содержанием никеля не менее 10%, в качестве другой проволоки используют высокохромистую сталь мартенситного класса с содержанием углерода более 0,4%, причем ее диаметр в 1,12-1,20 раза больше диаметра проволоки аустенитного класса, в качестве смазочного материала выбирают пластичную смазку с числом пенетрации от 265 до 340, с содержанием алмазно-графитовой шихты 0,25-0,50 мас.%, имеющей размер частиц в пределах 10-50 нм, а приработку осуществляют при удельной нагрузке 40-50 МПа и скорости скольжения 0,20-0,30 м/с.

Изобретение относится к технологии изготовления деталей узлов трения скольжения с применением методов газотермического нанесения покрытий и, в частности, деталей узлов трения скольжения, эксплуатирующихся при повышенных удельных нагрузках. Может быть использовано при изготовлении элементов подшипников и опор скольжения, сферических и цилиндрических сочленений, применяемых в металлургической промышленности, автомобилестроении, сельхозмашиностроении, станкостроении. Кроме того, данный способ позволяет восстанавливать изношенные валы, штоки, плунжера и гильзы, ранее покрытые гальваническим методом слоем хрома.

Одним из наиболее эффективных путей решения задачи повышения ресурса и улучшения работоспособности пар трения скольжения, эксплуатирующихся при повышенных удельных нагрузках, является использование композиционных пластичных смазок в сочетании с технологиями, обеспечивающими формирование металлических покрытий толщиной 0,05-0,5 мм методами газотермического напыления порошковых или проволочных материалов [1, 2]. Покрытия из цветных металлов и низколегированных сталей, которые, как правило, мягче стальных или чугунных деталей, позволяют сравнительно легко обеспечить правило положительного градиента, согласно которому процесс деформирования отдельных, наиболее нагруженных участков поверхностей трения должен проходить только в поверхностных слоях, не вовлекая в деформацию ниже расположенные слои. В этом случае контурные давления, возникающие в подвижном сопряжении, будут восприниматься жестким основанием. Нормальные напряжения, возникающие в зонах фактического контакта, также частично будут восприниматься более жестким основанием, поэтому глубина внедрения микронеровностей поверхностей более жесткого элемента узла трения и деформационная составляющая силы трения будут меньше, чем при использовании более толстых покрытий. Площадь фактического контакта при использовании покрытий толщиной до 1 мм будет меньше, чем при использовании относительно толстых (1мм и более). Кроме того, слой относительно мягкого покрытия позволяет улучшить прирабатываемость деталей пар трения и способствует образованию в процессе трения адаптационных, субмикроскопических поверхностных пленок, обладающих повышенной адсорбционной способностью к смазочным материалам.

Известен способ изготовления деталей узлов трения скольжения [3, 4], заключающийся в изготовлении заготовок из черных металлов, формировании на их рабочей поверхности покрытия толщиной до 100 мкм из цветных металлов или железа методом электрохимического осаждения, последующем нанесении на покрытие слоя пластичной смазки и приработку в узле трения. Недостатком известного способа является большая длительность приработки, малая величина прочности сцепления электроосажденных покрытий (менее 10 МПа), их низкая смазкоудерживающая способность, невозможность использования в тяжелонагруженных узлах трения (60-100 МПа).

Известен способ получения деталей узлов трения скольжения [5], включающий изготовление заготовок из черных металлов, формирование на их рабочей поверхности покрытия путем подачи материала покрытия в виде шнура, состоящего из композиционной порошковой шихты и полимерной оболочки, в высокотемпературную зону факела пламени, образованного горением углеводородного газа в кислороде, нагрев шнура до плавления оболочки и металлических компонентов шихты, распыление струей воздуха, осаждение порошковых частиц в виде слоя на предварительно подготовленную поверхность детали, механическую обработку слоя, последующее нанесение на покрытие слоя пластичной смазки с наполнителем и приработку в узле трения.

Данный метод можно использовать для изготовления тяжелонагруженных деталей узлов трения, однако его широкое применение сдерживается необходимостью использования для формирования покрытия дорогостоящего гибкого шнура (стоимость 80-130 долл. США за 1 кг). При изготовлении или упрочнении - восстановлении деталей стоимостью до 100 долл. США применение данного способа нерационально.

Известен способ получения деталей узлов трения скольжения [6], заключающийся в формировании на рабочей поверхности заготовок из черных металлов покрытия из цветного металла методом деформационного плакирования гибким инструментом с последующим нанесением слоя смазки и приработку в узле трения. На первом этапе процесса деформационного плакирования гибким инструментом (металлической щеткой) осуществляется наклеп поверхности детали, вызывающий остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое на глубину, зависящую от конструкции щетки, технологических режимов обработки и состояния исходной поверхности материала основы. На последующих этапах формируется покрытие, также имеющее напряжения сжатия и обладающее адгезией к детали около 10 МПа.

Недостатком известного способа является большая продолжительность процесса приработки (от 30 мин до 2 ч), не достаточно высокая прочность сцепления покрытий с основой, относительно низкие антифрикционные свойства (износостойкость и коэффициент трения Ц). Так, значения Ц при нагрузках 10-20 МПа в присутствии пластичной смазки составляют не менее 0,10, а при удельных нагрузках свыше 20 МПа составляют 0,12-0,13.

Эти недостатки в значительной степени устранены в способе получения деталей узлов трения скольжения [7]. Способ включает изготовление заготовок из черных металлов, механическую обработку и формирование на их рабочей поверхности покрытия из цветного металла методом деформационного плакирования: гибким инструментом нанесение на покрытие слоя пластичной смазки, содержащей ульт

- 1 032173 радисперсный порошок алмазосодержащей шихты в количестве 0,5-1,5 мас.% и приработку в узле трения при нагрузке 20-30 МПа и скорости скольжения 0,1-0,15 м/с.

В процессе приработки со смазкой, модифицированной ША, в поверхностном слое покрытия из цветного металла формируется наноразмерная субструктура, характеризующаяся размером субзерен <100 нм. Образование в поверхностях трения наноразмерной субзеренной структуры вследствие присущих ей чрезвычайно высоких пластических свойств приводит к эффективному поглощению энергии фрикционного взаимодействия при трении и облегчает приработку контактирующего сопряжения. Процесс фрикционного модифицирования, сопровождающийся измельчением формирующейся в поверхностях трения субзеренной структуры, обусловливает повышенные триботехнические свойства деталей узлов трения скольжения и в их дальнейшей эксплуатации [8].

Недостатком известного способа является невозможность его использования в тяжелонагруженных узлах трения, поскольку интенсивность изнашивания и коэффициент трения начинают резко возрастать при нагрузках свыше 32-35 МПа, а при нагрузках более 40 МПа детали выходят из строя в результате катастрофического износа. Помимо того, покрытия имеют относительно низкую твердость (не более НУ=400), что также ограничивает их применение, особенно при наличии в узлах трения абразивных частиц.

Известен способ изготовления детали узла трения скольжения [9], являющийся наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению. Способ включает изготовление заготовок из черных металлов, формирование на их рабочей поверхности покрытия путем нагрева и распыления проволок из сталей мартенситного или аустенитного классов, его механическую обработку, нанесение на покрытие слоя смазки, содержащей ультрадисперсный порошок шихты алмазосодержащей ША и приработку в узле трения при удельной нагрузке 32-40 МПа и скорости скольжения 0,2-1,0 м/с.

Недостатком известного способа является невозможность его использования взамен гальванического хромирования или при восстановлении изношенных хромированных деталей, поскольку у газотермических покрытий, напыленных известными стальными проволоками, отсутствует необходимое сочетание значений твердости и коррозионной стойкости. Если покрытие наносить распылением только проволок мартенситного класса с содержанием углерода более 0,4%, то вследствие относительно высокой твердости покрытия будет отсутствовать эффект трибомодифицирования, который обеспечивается смазкой с алмазосодержащей шихтой [9], помимо того, покрытие не будет обладать высокой коррозионной стойкостью. Если же использовать проволоки только из сталей аустенитного класса, то будет обеспечен процесс трибомодифицирования и высокая стойкость покрытий в агрессивных средах, но при этом покрытие будет иметь недостаточную твердость.

Требуемое сочетание свойств обеспечивают композиционные проволочные материалы, состоящие из никелевой трубчатой оболочки и износостойкого порошкообразного наполнителя, однако стоимость таких материалов в 4,0-6,5 раз больше стоимости литых стальных проволок.

Задачей изобретения является повышение качества деталей узлов трения путем повышения твердости и коррозионной стойкости их рабочей поверхности при эксплуатации в условиях высоких удельных нагрузок.

Для решения поставленной задачи способ изготовления детали узла трения скольжения включает формирование на рабочей поверхности детали из черного металла покрытия путем нагрева до плавления в электрической дуге двух проволок из хромсодержащих сталей и их последующее распыление продуктами сгорания пропано-воздушной смеси, движущимися со сверхзвуковой скоростью, механическую обработку покрытия, нанесение на покрытие слоя смазки, содержащей ультрадисперсный порошок алмазно-графитовой смеси и приработку в узле трения, при этом согласно изобретению в качестве материала одной из проволок используют высокохромистую сталь аустенитного класса с содержанием никеля не менее 10%, в качестве другой проволоки используют высокохромистую сталь мартенситного класса с содержанием углерода более 0,4%, причем ее диаметр в 1,12-1,20 раза больше диаметра проволоки аустенитного класса, в качестве смазочного материала выбирают пластичную смазку с числом пенетрации от 265 до 340, с содержанием алмазно-графитовой шихты 0,25-0,50 мас.%, имеющей размер частиц в пределах 10-50 нм, а приработку осуществляют при удельной нагрузке 40-50 МПа и скорости скольжения 0,20-0,30 м/с.

В данном случае используется процесс гиперзвуковой электрометаллизации [10], принцип которого основан на том, что в металлизатор подаются две проволоки, между которыми горит электрическая дуга, а распыление и диспергирование расплавленного в дуге материала осуществляется продуктами сгорания пропано-воздушной смеси, истекающей из камеры со скоростью 1300-1500 м/с.

Одним из возможных подходов формирования композиционных газотермических покрытий, отвечающих принципу Шарпи (материал, отвечающий высоким требования по износостойкости, должен состоять из сплошной вязкой матрицы, в которой расположены твердые структурные составляющие), может быть одновременное распыление стальных проволок аустенитного и мартенситного классов. При этом частицы аустенитной стали образуют вязкую коррозионно-стойкую матрицу, в которой на стадии приработки узла трения может быть реализован эффект трибомеханического модифицирования с формированием наноразмерной зеренной ячеистой субструктуры [11], а частицы мартенситной стали обра

- 2 032173 зуют дисперсные включения с повышенным содержанием остаточного аустенита [12], в котором на начальной стадии эксплуатации будут протекать деформационно активируемые γ^α-превращения с образованием твердых включений мартенсита деформации.

Для обеспечения достаточно высокого содержания упрочняющей фазы в композиционном покрытии содержание остаточного аустенита в нем должно быть в пределах 45-60 об.%. При его содержании менее 45 об.% количество формирующегося мартенсита деформации и твердость покрытия после приработки будет недостаточными для обеспечения высокой абразивной износостойкости рабочего слоя, а при содержании более 60 об.% после приработки может сформироваться чрезмерно твердое покрытие низкой трещиностойкости, которое будет иметь недостаточную износостойкость в условиях ударных нагрузок. Вязкая и износостойкая матрица композиционного покрытия может быть получена в процессе трибомеханического модифицирования элементов газотермического покрытия, сформированных из напыленных частиц аустенитной стали, с образованием в них наноразмерной субзеренной структуры, в то время как твердые включения образуются в результате γ^α-превращения в напыленных частицах мартенситной стали в процессе деформационного воздействия при приработке.

Поскольку механические и физические свойства высокохромистых аустенитных сталей определяются количеством аустенита, перешедшего в мартенсит, а также температурой мартенситного превращения (чем ниже, тем лучше), необходимо, чтобы концентрация никеля в высокохромистой стали аустенитного класса, как одного из наиболее активных аустенитообразующих элементов, составляла не менее 10 об.%.

Для исследования были выбраны хромсодержащие стали мартенситного класса с содержанием углерода от 0,2 до 1,1% и хрома - 13-18%, дополнительно легированные никелем, марганцем, ванадием, молибденом, вольфрамом, кремнием следующих марок: 20X13, 30X13, 40X13, 40Х15Н7Г7Ф2МС, 45Х14Н14В2М, 65X13, 90Х18МФ, 95X18, 110Х18М, а также высокохромистые никельсодержащие стали мартенситного класса с содержанием углерода от 0,08 до 0,17%, хрома - 18-25% и никеля - 9-16%, дополнительно легированные титаном, следующих марок: 08Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т,

12Х18Н12Т, 12Х25Н16Т7, 17Х18Н9.

Для газотермического напыления композиционных покрытий использовались проволоки диаметром 1,5, 1,6, 1,8 и 2,0 мм в различных сочетаниях. Нанесение покрытий осуществлялось на установке гиперзвуковой металлизации АДМ-10 на режимах, соответствующих паспортным для распыления стальных проволок.

Содержание остаточного аустенита в газотермических покрытиях оценивалось методом рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.0 в монохроматизированном СоКа излучении. Съемка образцов осуществлялась при ускоряющем напряжении на рентгеновской трубке 30 кВ и анодном токе 10 мА. Запись интенсивности рассеянного рентгеновского излучения проводилась в режиме сканирования (по точкам) с фиксированным временем счета 10 с на точку. Результаты рентгенофазового исследования приведены в табл. 1.

Анализ результатов проведенных экспериментов показал, что для формирования покрытий с количеством остаточного аустенита в пределах 45-60% (опыты №№ 8, 9, 12, 13, 16, 17, 20, 21, 24, 25, 28, 29, 32, 33) необходимо, чтобы в качестве материала одной из проволок использовалась высокохромистая сталь аустенитного класса с содержанием никеля не менее 10%, в качестве другой проволоки - высокохромистая сталь мартенситного класса с содержанием углерода более 0,4%, причем ее диаметр должен быть в 1,12-1,20 раза больше диаметра проволоки аустенитного класса.

Отработка состава смазочного материала и режимов приработки осуществлялась на основе анализа процессов трибологического контактирования элементов узлов трения в присутствии модифицированных пластичных смазок, оценки особенностей взаимодействий наночастиц добавки с волокнами дисперсной фазы пластичных смазок и экспериментальных данных по исследованию структурного состояния (размер субзерен) и свойств (твердость, износостойкость) поверхностных слоев газотермических покрытий после приработки поверхности трения с оценкой экономической составляющей трибомеханической обработки.

- 3 032173

Таблица 1 Зависимость содержания остаточного аустенита в газотермических покрытиях после гиперзвуковой металлизации различными сочетаниями проволок (проволока 1 - мартенситного класса диаметром Ώ₁;

проволока 2 - аустенитного класса диаметром Р₂)

№ опы- та	Марки напыляемых стальных проволок	Диаметр проволоки, мм	Соотношетие диаметров проволок Г))/ Г)₂	Содержание остаточного аустенита, об.%
проволока №1	проволока №2	Э1	О₂
1	2	3	4	5	6	7
1	20X13	12X18Н9Т	1,8	1,6	1,12	33
2	30X13	17Х18Н9	1,8	1,5	1,20	38
3	40X13	12Х18Н9Т	1,8	1,6	1,12	40
4	40X13	17Х18Н9	1,8	1,5	1,20	42
5	30X13	08Х18Н10Т	1,8	1,6	1,12	40
6	30X13	12Х18Н12Т	1,8	1,5	1,20	38
7	40X13	08Х18Н10Т	2,0	1,8	1,11	43
8	40X13	08Х18Н10Т	1,8	1,6	1,12	46
9	40X13	08Х18Н10Т	1,8	1,5	1,20	50
10	40X13	08Х18Н10Т	2,0	1,6	1,25	62
11	40Х15Н7Г7Ф2МС	12Х25Н16Т7	2,0	1,8	1,11	62
12	40Х15Н7Г7Ф2МС	12Х25Н16Т7	1,8	1,6	1,12	53
7	2	3	4	5	6	7
13	40Х15Н7Г7Ф2МС	12Х25Н16Т7	1,8	1,5	1,20	58
14	40Х15Н7Г7Ф2МС	12Х25Н16Т7	2,0	1,6	1,25	65
15	45Х14Н14В2М	12Х18Н10Т	2,0	1,8	1,11	62
16	45Х14Н14В2М	12Х18Н10Т	1,8	1,6	1,12	52
17	45Х14Н14В2М	12Х18Н10Т	1,8	1,5	1,20	56
18	45Х14Н14В2М	12Х18Н10Т	2,0	1,6	1,25	61
19	65X13	08Х18Н10Т	2,0	1,8	1,11	63
20	65X13	08Х18Н10Т	1,8	1,6	1,12	55
21	65X13	08Х18Н10Т	1,8	1,5	1,20	57
22	65X13	08Х18Н10Т	2,0	1,6	1,25	62
23	90X18МФ	12Х18Н12Т	2,0	1,8	1,И	67
24	90Х18МФ	12Х18Н12Т	1,8	1,6	1,12	56
25	90Х18МФ	12Х18Н12Т	1,8	1,5	1,20	60
26	90X18МФ	12Х18Н12Т	2,0	1,6	1,25	66
27	95X18	12Х18Н10Т	2,0	1,8	1,11	63
28	95X18	12Х18Н10Т	1,8	1,6	1,12	55
29	95X18	12Х18Н10Т	1,8	1,5	1,20	58
30	95X18	12Х18Н10Т	2,0	1,6	1,25	65
31	110Х18М	12Х25Н16Т7	2,0	1,8	1,11	65
32	110Х18М	12Х25Н16Т7	1,8	1,6	1,12	57
33	110Х18М	12Х25Н16Т7	1,8	1,5	1,20	60
34	110Х18М	12Х25Н16Т7	2,0	1,6	1,25	65
35	90X18МФ	12Х18Н9Т	1,8	1,6	1,12	62
36	110Х18М	17Х18Н9Т	1,8	1,5	1,20	68

Эксплуатационные характеристики смазочных материалов в значительной степени определяются их вязкостными показателями. Для пластичных смазок этот показатель может быть охарактеризован пенетрацией. Пенетрация (лат. репе1га1ю - проникать) - это физико-химическое свойство пластичных смазок, которое показывает степень густоты, консистенцию смазки. Характеризуется пенетрация мерой погружения конуса стандартной массы в пластично-вязкую среду на определённое время при определённой температуре (показатель, указывающий глубину проникновения конуса иглы под действием собственной силы тяжести в испытуемый нефтепродукт в течение заданного времени [13]). Как правило измерения проводятся при 25°С; время воздействия сил тяготения на конусообразное тело - 5 с. Так, если конусообразное тело погрузилось в вещество на 25 мм, то число пенетрации будет равно 250. Смазка пластичная высокотемпературная обычно имеет показатель пенетрации от 170 до 400. Соответственно, чем выше число пенетрации, тем смазка более текуча и подвижна.

В странах СНГ количественно пенетрация определяется согласно ГОСТ 26098 84.

Повышение триботехнических свойств поверхностей трения за счет реализации эффекта трибомеханического модифицирования достаточно эффективно протекает в присутствии пластичных смазочных материалов, содержащих наноразмерные алмазосодержащие добавки [11].

Для реализации эффекта трибомеханического модифицирования наиболее рационально использовать пластичные смазочные материалы с числом пенетрации 265-340, что соответствует очень мягкой и мягкой консистенции. Пластичные смазки с числом пенетрации выше 340 представляют собой смазочные материалы полужидкой (число пенетрации 355-385), жидкой (число пенетрации 400-430) и очень жидкой (число пенетрации 445-475) консистенций, в которых твердые наноразмерные добавки легко агрегируются в субмикро- и микроразмерные образования, обуславливающие низкую седиментационную устойчивость смазочной композиции.

- 4 032173

Пластичные смазочные материалы с числом пенетрации ниже 265 (твердая консистенция и особо твердая консистенция) рекомендуются, в основном, для применения в низкоскоростных или неподвижных соединениях, поскольку они, в силу высокой вязкости, плохо подтекают в зону трибокон-такта, и при их использовании в узлах трения может происходить разрыв смазочной пленки и появляться задиры на поверхности трения.

Наноразмерные частицы добавки благодаря их высокой поверхностной энергии склонны к агрегированию, и для повышения эффективности их применения требуется проводить операции диспергирования агрегатов наночастиц. Для этих целей используют диспергирующие устройства, в основу функционирования которых положены эффекты акустической или гидродинамической кавитации. Как правило, использование подобных устройств эффективно для достижения дисперсности частиц не ниже й_ч = 10 нм. В противном случае резко возрастает продолжительность обработки, требуются дополнительные операции по стабилизации гранулометрического состава диспергируемого материала, что снижает экономическую целесообразность операции диспергирования. В случае применения наночастиц алмазнографитовой шихты размером более й_ч = 50 нм невозможно получить нано-композиционную пластичную смазку с бинарной дисперсной фазой, в которой наночастицы добавки были бы закреплены (стабилизированы) в волокнах солей высокомолекулярных кислот, что предопределяет увеличенный ресурс, высокие противозадирные и противоизносные свойства, а также эффективное трибомеханическое воздействие на поверхности трения используемого смазочного материала.

Диапазон оптимальных значений концентрации наноразмерной алмазно-графитовой добавки и режимов приработки (удельная нагрузка, скорость скольжения, продолжительность) в присутствии нанокомпозиционной смазки определялись на основе экспериментальных исследований.

Триботехнические испытания проводились на трибометре МТВП-9М, оснащенном устройством для измерения коэффициента трения и управляемым программным комплексом. Контртело - пластина из закаленной стали У8 твердостью 64-65 ИКС (800 НУ 30). Эффективность процесса трибомеханического модифицирования поверхности трения определялась на основе оценки характера изменения коэффициента трения в процессе приработки, уровня увеличения твердости прирабатываемой поверхности и продолжительности процесса приработки.

Поверхность покрытия после газотермического напыления подвергалась механической обработке (шлифованию) до получения шероховатости поверхности, соответствующей параметру шероховатости Ка = 0,63-0,80 мкм.

В качестве образцов-представителей были выбраны пять вариантов композиционных покрытий, полученных распылением следующих пар проволочных материалов (табл. 2).

Таблица 2 Варианты газотермических покрытий для отработки параметров трибомеханического модифицирования (обозначения соответстуют табл. 1)

№ образца	Марки напыляемых стальных проволок	Диаметр проволоки, мм	Соотношение диаметров проволок Б1/Б2	Содержание остаточного аустенита, об.%
проволока №1	проволока №2	ϋι	б₂
1	40X13	08Х18Н10Т	1,8	1,6	1,12	46
2	45Х14Н14В2М	12Х18Н10Т	1,8	1,6	1,12	52
3	90X18МФ	12Х18Н12Т	1,8	1,5	1,20	60
4	95X18	12Х18Н10Т	1,8	1,5	1,20	58
5	110Х18М	12Х25Н16Т7	1,8	1,5	1,20	60

На фиг. 1 представлена зависимость коэффициента трения от продолжительности приработки (путь трения) для газотермического покрытия состава № 1 (табл. 2) при скорости скольжения У=0,25 м/с и удельных нагрузках Р=40 МПа (кривые 1а, 1б, 1в, 1г) и Р=50 МПа (кривые 2а, 2б, 2в, 2г) с использованием пластичной смазки Литол-24 (число пенетрации 300), модифицированной алмазно-графитовой шихтой ША-А (ТУ РБ 1000561180.003-2003) (размер частиц в пределах й_ч = 10-50 нм) с различной концентраций добавки: С_ША-А = 0,20 мас.% (кривые 1а, 2а), С_ША-А = 0,25 мас.% (кривые 1б, 2б), С_ША-А = 0,50 мас.% (кривые 1в, 2в), С_ША-А = 0,60 мас.% (кривые 1г, 2г).

Анализ приведенных данных показывает, что в случае использования приработочного состава с концентрацией алмазно-графитовой шихты в пределах С_ША-А= 0,25-0,50 мас.% (кривые 1б, 1в, 2б, 2в) процесс приработки протекает достаточно интенсивно, и уже после пути трения I. = 1000-1500 м наступает стабилизация коэффициента трения. При использовании приработочной композиции с концентрацией алмазно-графитовой шихты С_ША-А < 0,25 мас.% (кривые 1а, 2а) продолжительность процесса приработки рабочей поверхности газотермического покрытия чрезвычайно велика, о чем можно судить по тому, что стабилизация коэффициента трения не наступает даже после пути трения I. = 3000 м. Это обусловлено недостаточным содержанием в приработочном составе сверхтвердых частиц, обеспечивающих проявление эффекта трибомеханического модифицирования поверхности трения.

При концентрации алмазно-графитовой шихты в смазке С_ША-А > 0,50 мас.% (кривые 1г, 2г) на начальной стадии происходит резкое снижение коэффициента трения, однако через некоторое время на

- 5 032173 блюдается столь же резкое его увеличение с последующим наступлением задира. Это, вероятно, связано с чрезмерно повышенной вязкостью смазочной композиции при таком содержании в ней модификатора, ухудшением подтекания смазочного состава в зону трибоконтакта и нарушением условий смазывания пары трения. Наряду с этим повышенное содержание наноразмерной алмазно-графитовой шихты в смазочной композиции приводит к существенному увеличению стоимости последней.

Исследование влияния режимов трибомодифицирования на характер изменения свойств поверхности газотермического покрытия (твердость, коэффициент трения), а также продолжительность эволюции свойств поверхностного слоя покрытия (по пути трения) осуществлялось на образцах покрытий, материал которых соответствовал нумерации, приведенной в табл. 2. Концентрация алмазно-графитовой шихты в смазочной композиции составляла С_ша-а = 0,40 мас.%, удельная нагрузка в зоне трибоконтакта Р = 3060 МПа, скорость скольжения V = 0,15-0,35 м/с.

Таблица 3 Влияние режимов трибомодифицирования на свойства газотермических покрытий ^продолжительность приработки

№ опы-	ϊθ образ-	Режимы трибоюдифицирования	Параметры эффективности трибомодифицирования	Примечание
Давле-	Ско-	Твердость	Коэффици-	Путь
та	ца	ше, МПа	рость,	НУ,	ент трения /,	рения Ь,
			м/с	МПа	на-	м
				на-	1альн./конеч.
				1альн./конеч.
1	2	3	4	5	6	7	8
1	1	30	0,30	3300/3700	0,16/0,12	3050
2		40	0,30	3300/5500	0,16/0,07	1850
3		50	0,30	3300/5600	0,17/00,8	1580
4		60	0,30	3300/-	0,20/-	-	задир
5		50	0,15	3300/4450	0,17/0,10	2540
6		50	0,20	3300/5550	0,17/0,07	1620
7		50	0,35	3300/-	0,18/-		задир, разрушение ДФ ПСМ*
8	2	30	0,30	3650/4500	0,16/0,10	3100
9		40	0,30	3650/5700	0,16/0,08	1780
10		50	0,30	3650/5800	0,17/0,08	1610
И		60	0,30	3650/-	0,21/	-	задир
12		50	0,15	3650/4700	0,17/0,11	2510
13		50	0,20	3650/5750	0,17/0,08	1670
14		50	0,35	3650/-	0,19/-		задир, разруше-
							ние ДФ ПСМ
15	3	30	0,30	4050/4950	0,16/0,10	3180
16		40	0,30	4050/5900	0,16/0,08	1720
17		50	0,30	4050/6200	0,17/0,07	1580
18		60	0,30	4050/-	0,22/-	-	задир
19		50	0,15	4050/5550	0,17/0,11	2620
20		50	0,20	4050/6150	0,18/0,09	1640
21		50	0,35	4050/-	0,19/-	-	задир, разруше
1	2	3	4	5	6	7	8
							ние ДФ ПСМ
22	4	30	0,30	4200/5050	0,16/0,11	3380
23		40	0,30	4200/6200	0,16/0,08	1800
24		50	0,30	4200/6400	0,17/09	1620
25		60	0,30	4200/-	0,23/-	-	задир
26		50	0,15	4200/5750	0,17/0,09	2850
27		50	0,20	4200/6150	0,18/0,08	1680
28		50	0,35	4200/-	0,20/-	-	задир, разруше-
							ние ДФ ПСМ
29	5	30	0,30	4600/5650	0,16/0,10	3500
30		40	0,30	4600/6500	0,16/0,07	1860
31		50	0,30	4600/6850	0,17/0,08	1660
32		60	0,30	4600/-	0,22/-	-	задир
33		50	0,15	4600/5950	0,17/0,10	3100
34		50	0,20	4600/6700	0,17/0,009	1720
35		50	0,35	4600/-	0,19/-	-	задир, разруше-
							ние ДФ ПСМ

*разрушение ДФ ПСМ - разрушение дисперсной фазы пластичного смазочного материала.

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее эффективно процесс трибомодифицирования поверхности трения для исследованных газотермических покрытий проявляется в диапазоне удельных нагрузок Р = 40-50 МПа при скорости скольжения ν= 0,20-0,30 м/с. При этих режимах стабилизация коэффициента трения на уровне £ = 0,07-0,09 наступает после приработки на пути трения Ь = 1580-1860 м, а твердость поверхностного слоя при этом увеличивается на 50-70%. При давлениях Р <40 МПа стадия приработки протекает на пути трения более Ь = 3000 м, при этом повышение твердости поверхности составляет не более 12-23%, а коэффициент трения стабилизируется на уровне £ = 0,10-0,12. При давлениях Р >50 МПа уже на стадии приработки начинают проявляться явления задира, обусловленные выдавливанием смазочного материала из зоны трения.

- 6 032173

Скорость скольжения в меньшей степени, чем удельная нагрузка, оказывает влияние на протекание процессов модифицирования поверхности. Однако при значениях скорости скольжения V <0,20 м/с отмечено замедленное протекание процессов приработки поверхности трения, которые завершаются после пути трения более Ь = 2500 м с фиксацией коэффициента трения на уровне ί = 0,09-0,11 и повышением твердости поверхности покрытия на 28-37%. В случае проведения приработки при скорости скольжения V >0,30 м/с наблюдаются процессы разрушения дисперсной фазы пластичного смазочного материала и вытекания последнего из зоны трибоконтакта с последующим появлением задиров на поверхностях трения.

Пример реализации способа.

Восстановительному ремонту подлежали штоки гидроцилиндров подъема платформы прицепов типа 2ПТС-4 с изношенными хромированными поверхностями. У изношенных штоков на рабочей поверхности наблюдались риски, вырывы, отслаивания хромового покрытия, царапины, следы схватывания и коррозии. Кроме этого, в соединении штока с поршнем обнаруживались следы стирания и вмятин, а на торцевых участках, контактирующих с поршнем - царапины и следы схватывания. Величина износа составляла в среднем 0,15 мм, что не позволяло применять повторное хромирование рабочих поверхностей штоков.

Первую партию из четырех штоков восстанавливали по заявляемому способу, вторую - по способупрототипу.

Для восстановления штоков гидроцилиндров по заявляемому способу использовали установку гиперзвуковой металлизации модели АДМ-10. В качестве материала одной проволоки использовали высокохромистую сталь мартенситного класса марки 40X13 с содержанием углерода 0,42%, диаметром Ό₁ = 1,8 мм. В качестве материала другой проволоки использовали высокохромистую сталь аустенитного класса марки 12Х18Н10Т с содержанием никеля 10%, диаметром И₂ = 1,6 мм. Диаметр Ό| больше диаметра И₂ в 1,125 раза. Для повышения прочности сцепления покрытий с основой наносили промежуточный слой напылением проволоки из сплава Х20Н80. После напыления покрытия и шлифовки в окончательный размер на покрытие наносился слой смазки Литол-24 (число пенетрации 300), модифицированной алмазно-графитовой шихтой ША-А (ТУ РБ 1000561180.003-2003), содержание которой составило 0,25 мас.%. Размер частиц алмазно-графитового наполнителя 20-40 нм. Приработку восстановленных штоков осуществляли при удельной нагрузке 40 МПа и скорости скольжения 0,25 м/с в течение 2 ч.

Вторую партию штоков восстанавливали распылением на установке АДМ-10 двух проволок из стали 40X13, наносили слой смазки Литол-24, модифицированной алмазно-графитовой шихтой ША-А (содержание 0,4%) с размером частиц 50-100 нм. Приработку осуществляли при удельной нагрузке 35 МПа и скорости скольжения 1,0 м/с.

Испытания, проведенные в условиях подконтрольной эксплуатации при удельных нагрузках от 15 до 45 МПа, показали, что после 300-420 ч работы на поверхности штоков из второй партии были зафиксированы следы износа в виде хорошо различимых невооруженным глазом мелких рисок и вырывов, кольцеобразные следы вмятин, отдельные пятна коррозионного характера.

На поверхности штоков первой партии до 450-490 ч работы не наблюдалось никаких заметных следов изнашивания или коррозии.

Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить качество покрытий и тем самым срок службы деталей узлов трения скольжения, эксплуатирующихся при повышенных нагрузках, а также может быть использован как альтернатива гальваническому хромированию.

Источники информации.

1. Носкшд М.С., ναδαηΙαδΓοο V., 81бку Р.8. Ме1аШс апб Сегат1с Соайидз. - Ьоидтап Сгоир ИК Иб.. Ьопбоп, 1989.

2. Белоцерковский М.А. Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий. Минск. Технопринт, 2004.

3. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Кн. 2/под ред. И.В. Крагельского. М., Машиностроение, 1979. 358 с., с. 197.

4. Патент СВ № 2313163 А1, 1997.

5. Затока А.Е. Газотермическое напыление и наплавка с использованием гибких шнуровых материалов//Пленки и покрытия. 98. С.-Петербург, 1998, с. 218-224.

6. Леванцевич М.А., Максимченко Н.Н., Зольников В.Г. Повышение эксплуатационных свойств трибосопряжений нанесением покрытий металлическими щетками//Весщ НАН Беларусь. 2005. № 1, с. 67-72.

7. Камко А.И. Технология формирования антифрикционных слоев на рабочих поверхностях шарнирных сопряжений/Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О.Сухого. 2007. № 3, с. 66-74 (прототип).

8. Витязь, П.А. Формирование износостойких поверхностных структур и механизм фрикционного разрушения при трении в среде смазочного материала, модифицированного ультрадисперсными алмазно-графитовыми добавками. 4.1. Триботехнические свойства/П.А. Витязь, В.И. Жорник, В.А. Кукареко, А.И. Камко//Трение и износ. 2006, т. 27, № 1, с. 61-68.

- 7 032173

9. Способ изготовления детали узла трения скольжения: пат. 12982 Респ. Беларусь, МПК С23С 28/00/Белоцерковский М.А., Жорник В.И., Кукареко В.А., Камко А.И., Прядко А.С., Заболоцкий М.М.; заявитель Объединенный ин-т машиностроения НАН Беларуси. № а20081384; заявл. 03.11.08; опубл. 30.04.10//Афщыйны бюл./Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасцт 2010, № 2, с.111.

10. Белоцерковский, М.А. Выбор технологических параметров процесса нанесения стальных покрытий методом гиперзвуковой металлизации/ Белоцерковский М.А., Сосновский А.В., Яловик А.С, А.П., Трусов. Д.И.//Механика машин, механизмов, материалов. 2015, № 3, с. 52-57.

11. Повышение ресурса трибосопряжений активированными методами инженерии поверхности/ Витязь П.А. [и др.]. Минск, Беларус. навука, 2012, с. 380-385.

12. Белоцерковский М.А. Структурные аномалии в стальных газотермических покрытиях и возможности их использования/Белоцерковский М.А.//Упрочняющие технологии и покрытия. 2008, № 10, с. 39-44.

13. Основы трибологии (трение, износ, смазка). Учебник для технических вузов. 2-е изд. переработ., и доп./Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Буше Н.А. и др. М., Машиностроение, 2001, 684 с.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ изготовления детали узла трения скольжения, включающий формирование на рабочей поверхности детали из черного металла покрытия путем нагрева до плавления в электрической дуге двух проволок из хромсодержащих сталей и их последующего распыления продуктами сгорания пропановоздушной смеси, движущимися со сверхзвуковой скоростью, механическую обработку покрытия, нанесение на покрытие слоя смазки, содержащей ультрадисперсный порошок алмазно-графитовой смеси и приработку в узле трения, при этом в качестве материала одной из проволок используют высокохромистую сталь аустенитного класса с содержанием никеля не менее 10%, в качестве другой проволоки используют высокохромистую сталь мартенситного класса с содержанием углерода более 0,4%, причем ее диаметр в 1,12-1,20 раза больше диаметра проволоки аустенитного класса, в качестве смазочного материала выбирают пластичную смазку с числом пенетрации от 265 до 340, с содержанием алмазнографитовой шихты 0,25-0,50 мас.%, имеющей размер частиц в пределах 10-50 нм, а приработку осуществляют при удельной нагрузке 40-50 МПа и скорости скольжения 0,20-0,30 м/с.

Путь трения, м